DE2724812B2

DE2724812B2 - Verfahren zum Betreiben einer Kernenergieanlage mit in einem Hochtemperaturreaktor erhitzten Arbeitsgas und Kernenergieanlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2724812B2
Application number: DE2724812A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr.-Ing. 5110 Alsdorf Foerster
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1980-09-18
Also published as: US4229257A; FR2393407A1; JPS541793A; DE2724812C3; JPS615638B2; DE2724812A1; FR2393407B1; GB1600080A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Kernenergieanlage mit in einem Hochtemperaturreaktor erhitzten Arbeitsgas, das innerhalb eines geschlossenen Arbeitsgaskreislaufes zum Antrieb eines oder mehrerer Generatoren einen Turbosatz oder mehrere parallel geschaltete Turbosätze durchströmt, die aus Turbine und gleicher Antriebswelle montiertem z;n- oder mehrstufigem Verdichter bestehen, und das einem oder mehreren parallel geschalteten rekuperativen Wärmeübertragern zum Wärmeaustausch zwischen entspanntem und komprimiertem Arbeitsgas zugeführt wird und vor der Kompression im Verdichter zum Abführen von Restwärme gekühlt wird, sowie auf eine Kernenergieanlage zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Auslegung von Kernenergieanlagen mit geschlossenem Arbeitsgaskreislauf, wie sie zum Beispiel aus der DE-AS 15 39 904 und der CH-PS 4 76 370 bekannt sind, sind die üblicherweise bei der Erzeugung von Energie zu berücksichtigenden Schwankungen des Energiebedarfs der Abnehmer nicht unbeachtlich. Es wird angestrebt, vorübergehend und kurzfristig die Erzeugung elektrischer Leistung zu erhöhen. Zu berücksichtigen sind dabei jedoch die er^fsrderlichen Investitionskosten und der wirtschaftliche Betrieb der Kernenergieanlage.

In der FR-OS 22 32 822 wird eine Kernenergieanlage mit zwei parallel geschalteten Arbeitsgaskreisläufen beschrieben, von denen der eine als direkter Kreislauf an den Kernreaktor angeschlossen ist und der andere als Wärmeenergieträger für einen Sekundär-Arbeitsmittelkreislauf dient, der eine einen Generator treibenden Dampfturbine aufweist. Die Ankoppelung beider Arbeitsmittelkrgisläufe am Kernreaktor bedingt jedoch — neben erheblichem apparativem Aufwand — eine Auslegung des Reaktorcores auf den Arbeitsmitteldurchsatz bei Spitzenbedarf an Energie, so daß bei niedrigem Energiebedarf eine Regulierung des Massestroms im Reaktor erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Kernenergieanlage der oben bezeichneten Art in der Weise zu betreiben, daß bei möglichst geringem Investitionsaufwand eine hohe elektrische Leistung ermigbar is.t und der Spii/enbedarf an Energie bei konstantem Massestrom im Hochtemperaturreaktor der Kernenergieanlage

gedeckt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Teil des in der Turbine oder in den Turbinen entspannten Arbeitsgases einen parallel zu den rekuperativen Wärmeübertragern in den Arbeitsgaskreislauf geschalteten Erhitzer zur Erhitzung eines Arbeitsmittels eines zusätzlichen Arbeitsmittelkreislaufs mit Turbosatz und Generator durchströmt

Dies ermögli-ht in einfacher Weise eine Steigerung der Erzeugung elektrischer Energie durch Betrieb des Hochtemperaturreaktors bei erhöhter thermischer Leistung, wobei die erhöhte Leistung an den zusätzlichen Arbeitsmittelkreislauf abgeführt und über Turbine und Generator in elektrische Leistung umgesetzt wird. Dabei wird der zusätzliche Leistungsgewinn unter Inkaufnahme eines geringen Stromerzeugungs-Wirkungsgrades bezogen auf die Hochtemperaturreaktorleistung zu Gunsten eines geringen Investitionsbedans erzielt Bevorzugt wird das entspannte Arbeitsgas zur Erhitzung eines Arbeitsmittels eines geschlossenen Sekundär-Arbeiismitteikreislaufs eingesetzt Die Arbeitsmittel für den Sekundär-Arbeitsmit^ilkreislauf werden dem im rekuperativen Wärmeübertrager zu erreichenden Temperaturniveau entsprechend ausgewählt und dem im Sekundär-Arbeitsmittelkreislauf angestrebten optimalen Wirkungsgrad angepaßt. Der Arbeitsdruckbereich im Sekundär-Arbeitsmittelkreislauf ist frei wählbar.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen. Verfahrens wird von einer Kernenergieanlage ausgegangen, bei der in einem Hochtemperaturreaktor erhitztes Arbeitsgas innerhalb eines geschlossenen Arbeitsgaskreis'aufes zum Antrieb eines Generators oder mehrerer Generatoren einen Turbosatz oder mehrere parallel geschaltete Turbosätze durchströmt die aus Turbine und auf gleicher Antriebswelle montiertem ein- oder mehrstufigen Verdichter bestehen, und bei der mehrere parallel geschaltete rekuperative Wärmeübertrager zum Wärmeaustausch zwischen entspanntem und komprimiertem Arbeitsgas vorgesehen sind sowie dem Verdichter ein Kühler zur Abgabe von Restwärme aus dem Arbeitsgas vorgeschaltet ist. Die Kernenergieanlage zeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch aus, daß am Gasaustritt zumindest eines der rekuperativen Wärmeübertrager für das erhitzte komprimierte Arbeitsgas eine mit einem Gaseinlalisiuizen einer das Arbeitsgas entspannenden Turbine eines zusätzlichen Turbosatzes verbundene Zweigleitung angeschlossen ist, daß das Arbeitsgas vom Gasauslaßstiitzen der Turbine über einen Kühler zum Gaseinlaßstutzen des Verdichters des Turbosatzes geführt ist und eine am Gasauslaßstutzen des Verdichters angeschlossene Rückführung für das Arbcilsgas am für das komprimierte Arbeitsgas vorgesehenen Gaseintritt des rekuperativen Wärmeübertragers mündet, wobei der dem zusätzlichen Turbosatz zugeführte Anteil des Arbeitsgases regulierbar ist. In vorteilhafter Weise wird so das im Hochtemperaturreaktor erhitzte Arbeitsgas selbst für die Erzeugung von Zusatzleistung ausgenutzt.

Eine Variante der Erfindung besteht darin, daß im rckuperativcn Wärmeübertrager eine im Wärmeaustausch mit entspanntem Arbeitsgas stehende Kammer zur Krhit/ung eines Arbeitsmittels eines Sckundär-Arbcitsmittclkrcisliiufcs mit Turbosat/, vorgesehen ist. wobei für das ko:nprimicrte Arbeitsgas emc den rekupcraliven Wänne'ibcrtrager umgehende Bypassleitung mit Drosst element vorgesehen ist. Im Sekundär-Arbeitsmittelkreislauf wird ein Arbeitsmittel eingesetzt, das unter Berücksichtigung der im rekuperativen Wärmeübertrager erreichbaren maximalen Temperatur einerseits und nach Wahl des Betriebsdruckes anderer-

■i seits zu einem optimalen Wirkungsgrad für den Sekundär-Arbeitsmittelkreislauf führt

Im Sekundär-Arbeitsmittelkreislauf wird eine zusätzliche Leistung bei Erhöhung der thermischen Leistung des Hochtemperaturreaktors erzielt Um in einfacher

tu Weise kurzfristig zusätzliche elektrische Energie zur Verfügung stellen zu können, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an den Hochtemperaturreaktor eine dem Turbosatz oder den Tuibosätzen parallel geschaltete Zusatzturbine anschließbar. Mit Betrieb der

i> Zusatzturbine wird von der Kernenergieanlage eine erhöhte elektrische Leistung abgegeben, ohne daß die maximal vorgesehene Arbeitsgastemperatur oder der Betriebsdruck im Hochtemperaturreaktor überschritten wird.

-'<> Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbei.spielen, die in der Zeichnung schematism wiedergegeben sind, näher erläutert Es zeigt im einzeinei

Fig. 1 Kernenergieanlage mit zusätzlichem Arbeitsmittelkreislauf für in rekuperativen Wärmeübertragern

-') erhitztem komprimierten Arbeitsgas,

Fig? Kernenergieanlage mit an rekuperativen Wärmeübertragern angeschlossenen Sekundär-Arbeitsmittelkreislauf.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird bei den

)<> gezeigten Kernenergieanlagen das Arbeitsgas im geschlossenen Arbeitsgaskreislauf in einem Hochtemperaturreaktor 1 erhitzt und im Anschluß daran in einer Turbine 2 entspannt sowie mehreren parallel geschalteten rekuperativen Wärmeübertragern 3 zugeführt. In

ι J F i g. 1 und 2 sind die einzelnen Bereiche der rekuperativen Wärmeübdrtrager 3 der Übersichtlichkeit halber in schematischer Darstellung getrennt gezeichnet. Die vom entspannten Arbeitsgas durchströmten Bereiche der rekuperativen Wärmeübe.irager

■'" 3 sind mit 3a, beziehungsweise mit 31a, 32a bis 38a bezeichnet, während die vom komprimierten Arbeitsgas dur>.nströmten Bereiche der rekuperativen Wärmeübertrager mit 3b, beziehungsweise mit 31 b. 32b bis 38b. bezeichnet sind. In den rekuperativen Wärmeübertra-

*^Γ| gern 3 wird ein Teil der Wärme, die im entspannten Arbeitsgas nach Durchlauf der Turbine 2 noch enthalten ist, auf das komprimierte Arbeitsgas übertragen. Die Kompression des Arbeitsgases erfolgt in einem aus Niederdruckstufe 4a und Hochdruckstufe 4b bestehen-

■'■<> den Verdichter 4. Vor Eintritt in die Niederdruckstufe 4a und vor Eintritt in die Hochdruckstufe 4b wird das Arbeitsgas in mehreren Kühlern 5, 6 gekühlt. Als Kühlmittel wird Wasser verwendet. Die Läufer von T'irbiüe 2, Niederdruck- und Hochdruckstufe des

v< Verdichters 4 sowie der Läufer eines Generators 7 zur Erzeugung elektrischer Energie sind gemeinsam auf einer Antriebswelle 8 montiert und bilden einen Turbosatz mit Generator.

Der eben beschriebene Arbeitsgaskreislauf wird im

''" folgenden als Hauptgaskreislauf bezeichnet. In den Ausführiingsbeispielen ist im Hauptgaskreislauf jeweils nur ein Turbosatz mit Generator vorhanden, ts gehören jedoch auch Kernenergieanlage!!, die mehrere parallel geschaltete Turbosät/e im Hauptgaskrcislauf aufweisen·.

• /um Gegenstand der Erfindung.

In Fig. I ist dem I lauptgaskreislauf em wim gleich·.· Arbeitsgas durchströmter zusätzlicher -Vbeitsmitu::- kreislauf mit f'urbinc 9 und zweistufigem \ ctdichter IO

mil Nicderclriickstufe ΙΟ,ν und Hochdruckstufe 106 nebengeordnet. Die Läufer von Turbine 9. Niedcrdruckstufc 10a und Hochdruckstufe 106 und der Läufer eines Generators Il sind gemeinsam auf eine Antriebswelle 12 montiert und bilden einen Turbosatz mit Generator.

Das Arbeitsgas für den zusätzlichen Arbeitsmittelkreislauf ist dem I lauptgaskreislauf nach Durchströmen der rekuperativen Wärmeübertragerbereiche 346 und 386 am Gasaiistritt für das erhitzte komprimierte Arbeitsgas entnehmbar. Innerhalb des zusätzlichen Arbeitsmittelkreislaufes strömt das Arbeitsgas über Zweigleitungen 13 der Turbine 9 zu. Nach Entspannung des Arbeilsgases in der Turbine 9 und weiterer Temperaturerniedrigung in Kühlern 14 wird das Arbeitsgas in der Niedcrdruckstufc 10a und nach Zwischenkühlung in Kühlern 15 in der Hochdruckstufe 106 des Verdichters 10 wieder komprimiert. Als Kühlmittel wird in den Kühlern 14 und 15 Wasser benutzt. In einer an den Gnscinliisscn für das komprimierte Arbeitsgas des Hauptgaskreislaufes vor dem rekuperativen Wärmeübertrager mündenden Rückführung 16 strömt das Arbeitsgas schließlich in die Bereiche 346und386des rekuperativen Wärmeübertragers 3 zurück und wird erneut von dem Anteil des entspannten Arbeilsgases erhitzt, der die Bereiche 34;/ u ml 38.7 der rekuperativen Wärmeübertrager 3 durchströmt.

Zur Regulierung des für den zusätzlichen Arbeilsgaskicislauf aus dem I lauptgaskrcislauf abgezweigten Arbeitsgasanteils und damit zur Regulierung der vom Generator Il abnehmbaren elektrischen Energie, die über einen Frequenzumformer ll.i mit Generator 116 ins NeI/ gespeist werden kann, sind in den Zweigleitungen 13 und in der Rückführungen 16 Regclvcntilc 17, 18 angeordnet. Vor Mündung der Rückführungen 16 in den llaiiptgaskrcisliuif befinden sich Absperrorgane 19, 20. Dice Absperrorganc werden geschlossen, wenn der zusätzliche Arbeitsmiltelkrcislauf in Beirieb genommen wird. Durch Umleiten des im Hauptgaskreislauf Mrönienden Arbeitsgases über Bypaßleitungen 21 lewcils mit Regulicrventil 22 wird der Massestrom im Hauptgaskreislauf konstant gehalten. Im Ausführungsivispiel nach I i g. I münden die Bypaßleitungen 21 !CMOiIs in Rückführleitungcn 23 von Nachwärmeabfuhrssxtemen 24 der Kernenergieanlage derart, daß in zweckmäßiger Weise durch die Wandungen des llochiemperaiurreaktors 1 keine zusätzlichen Gas- -iurchführungen für die Einleitung des in der Bypaßlcitung strömenden Arbeitsgases erforderlich sind. Bei Offnen eines Rcgulierventils 22 wird auch Absperrorgan 25 des zugehörigen Nachwärmcabfuhrsystems 24 geöffnet, während Absperrorgan 26 geschlossen bleibt. .Somit strömt über die offene Bypaßleitung 21 ein Teil des Arbeitsgases unter Umgehung der rekuperativen Wärmeübertrager direkt in den Hochtemperaturreaktor I ein.

Bei der in F i g. 1 wiedergegebenen Kernenergieanlage wird das Arbeitsgas des Hauptgaskreislaufes für den Betrieb des zusätzlichen Arbeitsmittelkreisldufes ausgenutzt. In zweckmäßiger Weise werden auch die bereits für den Hauptgaskreislauf vorhandenen Kammern der rek'ipcrativen Wärmeübertrager für die Erhitzung des Arbeitsgases des zusätzlichen Arbeitsmittelkreislaufes verwendet. Das diese Kammern sonst durchströmende komprimierte Ar'oeitsgas des Hauptgaskteislaufen wird unier Ausnutzung des für das Nachwiirmcabfuhrsyslcm vorhandenen Rückführlcilungcn unmittelbar dem Hochtemperaturreaktor zugeführt. Der bei Betrieb des zusätzlichen Arbeitsgaskreislaufes erzielbare Leistungsgewinn ist bezogen auf die erforderliche Reaktorleistung mit einem geringeren Stromerzeugungs-Wirkungsgrad verbunden.

Das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel für eine Kernenergieanlage gemäß der Erfindung weist einen vom Hauptgaskreislauf der Kernenergieanlage gelrennten geschlossenen Sekundär-Arbeitsmiltclkreislauf auf. Das Arbeitsmittel des Sekundär-Arbcitsmiltcl· kreislaufes wird in einem Teil des rekuperativen Wärmeübertragers erhitzt. Im Ausführungsbeispiel sind die Bereiche 316, 326 und 356.366 für die Erhitzung des Arbeitsmittels vorgesehen. An diesen Wärmcübertragerbercichen sind GaDlcitungen 27 angeschlossen, die zum Gaseintrittsstutzen einer Turbine 28 führen, die zusammen mit einer Niederdruckstufc 29a und einer Hochdruckstufe 296 eines Verdichters 29 einen Turbosatz mit Generator 30 bilden. |cweils vor Kompression des Arbeitsmittels in der Niederdruckstufe 29,i und der Hochdruckstufe 296 wird das Arbeitsmittel in Kühlern 31, 32 gekühlt. Als Kühlmittel wird Wasser verwendet.

Im Ai'sführungsbeispiel nach Fig. 2 ist als Arbeitsmittel für den zusätzlichen Arbeitsgaskreislauf Luft eingesetzt. Es lassen sich jedoch daneben auch andere Gase mit höherem Molekulargewicht als das Molekulargewicht des Arbeilsgases im Hauptgaskreislauf verwenden, zum Beispiel Stickstoff oder Argon. Arbeitsmittel und Druckniveau des Sekundär-Arbcitsmilielkreislaufes werden so ausgewählt, daß der zusätzliche Arbeitsmittelkreislauf kostengünstig ausgelegt ist.

Im Hauptgaskreislauf der Kernenergieanlage nach F i g. 2 sind für das komprimierte Arbeitsgas Bypaßleitungen 33 vorgesehen, die einen Teil des Arbeitsgases nach Kompression im Verdichter unter Umgehung des rekuperativen Wärmeübertragers unmittelbar dem Hochtemperaturreaktor 1 zuführen. Zur Regulierung des Massestroms sind in den Bypaßleitungen Regelventilc 34, 35 eingesetzt. Um auch bei voll geöffneten Regelventilen 34, 35 den sich dann ergebenden Massestrom zur Leistungserzeugung nutzbar zu machen, ist bei der Kernenergieanlage nach Fig. 2 im Hauptgaskreislauf noch eine Zusatzturbine 36 vorgesehen. Die Zusatzturbine 36 ist parallel zur Turbine 2 unmittelbar an den Hochtemperaturreaktor 1 anschließbar und kann mit Hilfe eines regelbaren Absperrorgan* 37 mit im Hochtemperaturreaktor 1 erhitzten Arbeitsgas betrieben werden. Im Ausführungsbeispiel ist die Zusatzturbine 36 über eine lösbare Kupplung 38 mit der Antriebswelle 8 des Turbosatzes des Hauptgaskreislaufes verbindbar. Als lösbare Kupplungen lassen sich sowohl mechanische, sowie auch elektromagnetische oder hydraulische Kupplungen verwenden.

Mit Betrieb des getrennten Sekundär-Arbeitsmittelkreislaufes und Einsatz von Zusatzturbine 36 läßt sich ι die Abgabe elektrischer Leistung erhöhen, zum Beispiel um Spitzenlasten vorübergehend und kurzfristig zu decken. Zur Leistungssteigerung wird eine erhöhte thermische Leistung des Hochtemperaturreaktors eingestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben einer Kernenergieanlage mit in einem Hochtemperaturreaktor erhitzten Arbeitsgas, das innerhalb eines geschlossenen Arbeitsgaskreislaufes zum Antrieb eines oder mehrerer Generatoren einen Turbosatz oder mehrere parallel geschaltete Turbosätze durchströmt, die aus Turbine und auf gleicher Antriebswelle montiertem ein- oder mehrstufigen Verdichter bestehen, und das einem oder mehreren parallel geschalteten rekuperativen Wärmeübertragern zum Wärmetausch zwischen entspanntem und komprimiertem Arbeitsgas zugeführt wird und vor der Kompression im Verdichter zum Abführen von Restwärme gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des in der Turbine (2) oder in den Turbinen entspannten Arbeitsgases einen parallel zu den rekuperativen Wärmeübertragern (31, 32, 33, 35,36,37 oder 33,34,37,38) in den Arbeitsgaskreislauf geschalteten Erhitzer (34,38 oder 31,32,35,36) zur Erhitzung eines Arbeitsmitteis eines zusätzlichen Arbeitsmittelkreislaufes mit Turbosatz (9, 10 oder 28,29) und Generator (11 oder 30) durchströmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das enstpannte Arbeitsgas zur Erhitzung eines Arbeitsmittels eines geschlossenen Sekundär-Arbeitsmittelkreislaufes eingesetzt wird.

3. Kernenergieanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der in einem Hochtemperaturreaktor erhitztes Arbeitsgas innerhalb eines geschlossenen Arbeitsgaskreislaufes zum Antrieb eines Generators oder mehrerer Generatoren einen Turbosatz oder mehrere parallel geschaltete Torbosätze durchströmt, ök- aus Turbine und auf gleicher Antriebswelle montiertem ein- oder mehrstufigen Verdichter bestehen, und bei der mehrere parallel geschaltete rekuperative Wärmeübertrager zum Wärmeaustausch zwischen entspanntem und komprimiertem Arbeitsgas vorgesehen sind sowie dem Verdichter ein Kühler zur Abgabe von Restwärme aus dem Arbeitsgas vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Gasaustritt zumindest eines der rekuperativen Wärmeübertrager (3) für das erhitzte komprimierte Arbeitsgas eine mit einem Gaseinlaßstutzen einer das Arbeitsgas entspannenden Turbine (9) eines zusätzlichen Turbosalzes verbundene Zweigleitung

(13) angeschlossen ist, daß das Arbeitsgas vom Gasauslaßstutzen der Turbine (9) über einen Kühler

(14) zum Gaseinlaßstutzen des Verdichters (10) des Turbosatzes geführt ist, und eine am Gasauslaßstutzen des Verdichters (10) angeschlossene Rückführung (16) für das Arbeitsgas am für das komprimierte Arbeilsgas vorgesehenen Gaseintritt des rekuperativen Wärmeübertragers (3) mündet, wobei der dem zusätzlichen Turbosatz zugeführte Anteil des Arbeitsgases regulierbar ist.

4. Kernenergieanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, bei der in einem Hochtemperaturreaktor erhitztes Arbeitsgas innerhalb eines geschlossenen Arbcitsgaskrcislaufcs zum Antrieb eines Generators oder mehrerer Generatoren einen Turbosiit/ oder mehrere parallel geschaltete Iiirhosälze durchströmt, die aus Turbine und auf gieuher Antriebswelle montiertem ein- oder mehrstufigen Verdichter bestehen, und bei der mehrere parallel geschaltete π ^l upcrative Wärmeübertrager zum Wärmeaustausch zwischen entspanntem und komprimiertem Arbeitsgas vorgesehen sind sowie dem Verdichter ein Kühler zur Abgabe von Restwärme aus dem Arbeitsgas vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im rekuperativen Wärmeübertrager (3) zumindest eine im Wärmeaustausch mit entspanntem Arbeitsgas stehende Kammer (31i>,32f>,35/>,36£|;zur Erhitzung eines Arbeitsmittels eines Sekundär-Arbeitpmittelkreislaufes mit Turbosatz (28,29) und Generator (30) vorgesehen ist, wobei für das komprimierte Arbeitsgas eine den rekuperativen Wärmeübertrager (3) umgehende Bypaßleitung (33) mit Regelventil (34, 35) vorgesehen ist

π

5. Kernenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch

gekennzeichnet, daß an denHochtemperaturreaktor (1) eine dem Turbosatz (2,4) oder den Turbosätzen des Hauptgaskreislaufes parallel geschaltete Zusatzturbine (36) anschließbar ist