CH553917A

CH553917A - Kraftanlage zur nutzung der in einem kernreaktor erzeugten waerme.

Info

Publication number: CH553917A
Application number: CH1035372A
Authority: CH
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1972-07-12
Filing date: 1972-07-12
Publication date: 1974-09-13

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftanlage zur Nutzung der in einem Kernreaktor erzeugten Wärme in einer Kombination eines Gasturbinen- und eines Dampf-Pozesses, in welcher der Gasturbinen-Prozess seine Abwärme an das Speisewasser des Dampf-Prozesses abgibt.

Für die Kombination eines Gasturbinen-Prozesses und eines Dampf-Prozesses mit dem Zwecke, den thermischen Wirkungsgrad der gesamten Anlage zu verbessern, sind mancherlei Schaltungen bekannt. Von besonderem Interesse ist eine Schaltung, in welcher ein geschlossener Gasturbinen-Prozess seine Abwärme statt an Kühlwasser abzugeben, an das Kondensat des Dampf-Prozesses überträgt. Statt das Kondensat in Anzapfdampf-Vorwärmern, wie in Dampfanlagen üblich, vorzuwärmen, wird dieses in einem Gaskühler durch Wärmetausch erwärmt. Da das aus dem Kondensator austretende Kondensat beinahe so kalt ist wie das Kühlwasser, ist die Kühlung des Gases sehr wirksam. Es hat sich aber gezeigt, dass damit nicht der beste Gesamtwirkungsgrad erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit den Wirkungsgrad zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Vorwärmung des Speisewassers nach dem Austritt aus dem Kondensator zuerst in mindestens einem Vorwärmer durch Anzapfdampf und hernach in einem Wärmetauscher durch das Arbeitsgas der Gasturbine.

In der Zeichnung ist das Schema einer derart konzipierten Kraftanlage dargestellt. 1 ist ein Kernreaktor mit seinen zugehörigen Wärmetauschern. Die elektrische Energie wird zum Teil, z. B. zu einem Drittel, in einer Gasturbinengruppe mit geschlossenem Prozess erzeugt, die aus dem Verdichter 2, der Expansionsturbine 3 und dem Stromerzeuger 4 besteht. Das Arbeitsgas, z. B. Luft oder Helium, wird im Verdichter beispielsweise von 10 bar auf 30 bar verdichtet. Nach dem Austritt aus dem Verdichter 2 kann es zuerst im Wärmetauscher 5 vorgewärmt werden, der aber nicht unter allen Umständen notwendig ist. Hierauf wird das Arbeitsgas im Teil 6 des Reaktors 1 erhitzt, sei es durch direkte Berührung mit dem aktiven Kern, sei es unter Zwischenschaltung eines Wärmeträgers wie z. B. flüssigen Natriums oder eines inerten Gases.

Das heisse Gas leistet in der Turbine 3 Arbeit, erwärmt sodann im Wärmetauscher 5, falls ein solcher vorhanden ist, das verdichtete Arbeitsgas und gibt im Wärmetauscher 7 Wärme an den Kreislauf der Dampfturbinengruppe ab. Hernach wird es zum Verdichter 2 zurückgeführt.

Die Dampfturbinengruppe besteht aus der Hochdruckturbine 8, der Niederdruckturbine 9 und dem Stromerzeuger 10.

Der Frischdampf wird im Teil 11 des Kernreaktors erzeugt. Er wird nach teilweiser Arbeitsleistung in der Hochdruckturbine 8 im Teil 12 des Reaktors 1 zwischenüberhitzt und arbeitet hernach in der Niederdruckturbine 9, bis er in den Kondensator 13 gelangt. Das Kondensat wird mit der Speisepumpe 13 in den Reaktor 1 zurückgepumpt und dabei in zwei Wärmetauschergruppen vorgewärmt: zuerst in einer Anzahl Anzapfdampf-Speisewasservorwärmern 15 und hernach im Wärmeáu- scher 7 durch die Abwärme der Gasturbine.

Die bekannten Vorteile der beschriebenen kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage gegenüber der Dampfanlage allein liegt darin, dass der Gasturbinen-Prozess seine ganze Abwärme in den Dampf-Prozess abgibt. Die Wärmeenergie, die man zusätzlich zuführen muss, um die Gasturbinen-Nutzleistung zu decken, ist, sieht man von einem kleinen Zusatz für die Wärmeverluste der isolierten Flächen ab, gleich der am Stromerzeuger abgegebenen Energie. Es erscheint daher paradox, wenn das Speisewasser, mit welchem man das Gas kühlt, zuerst in einigen Stufen mittels Anzapfdampf vorgewärmt wird. Denn würde man direkt mit dem kalten Kondensat kühlen, würde die Temperatur des Arbeitsgases am Eintritt in den Verdichter gesenkt, die Verdichtungsleistung daher vermindert und die Nutzleistung der Gruppe erhöht werden.

Eingehende Berechnungen haben gezeigt, dass die Anordnung einer ersten, zweiten, eventuell weiterer Anzapfdampf Vorwärmstufen für die Gesamtanlage nicht nur unschädlich ist.

sondern einen Vorteil bringt, trotzdem die Gase jetzt nicht mehr so tief abgekühlt werden können und die Verdichtungsleistung zunimmt. Der Vorteil wird mit jeder zugefügten Stufe kleiner und schlägt nach drei bis vier Stufen in einen Nachteil um. Die Anzapfdampf-Vorwärmung ist nur so weit vorzutreiben, als dies noch Vorteile bringt.

Wenn das Druckverhältnis des Verdichters für eine Kühlung des Gases durch eine kalte Flüssigkeit optimiert wurde, so muss bei warmer Flüssigkeit die Optimierung wiederholt werden. Das optimale Druckverhältnis wird kleiner. Der Verteuerung der Dampfseite durch die Vorwärmer steht eine Verbilligung der Gasseite gegenüber. Was man erstreben muss, ist nicht notwendigerweise ein Maximum des Gesamtwirkungsgrades, sondern ein Maximum der Gesamtwirtschaftlichkeit.

Der Verdichter der Gasturbinengruppe hat in manchen Anlagen einen Zwischenkühler. Auch für diesen ist als Kühlmedium vorgewärmtes Speisewasser zu nehmen, am einfachsten parallel zum Wärmetauscher 7. In den meisten Fällen ist jedoch bei kombinierten Anlagen eine Zwischenkühlung entbehrlich.

Die Gas-, Speisewasser- und Dampfströme, die in die Teile 6, 11 und 12 des Reaktors gelangen, haben eine verhältnismässig hohe Temperatur. Wäre die Wärmequelle nicht ein Kernreaktor, sondern ein Kessel für fossile Brennstoffe, so wäre man in Verlegenheit, die Verbrennungsgase so abzukühlen, bevor sie in die Atmosphäre gelangen, dass kein untragbarer Wärmeverlust entstünde. Vom Kernreaktor gelangen aber keine Abgase in die Atmosphäre. Aus diesem Grund beschränkt sich das Interesse an dem beschriebenen Verfahren auf Kernenergie-Anlagen.

PATENTANSPRUCH

Kraftanlage zur Nutzung der in einem Kernreaktor erzeugten Wärme in einer Kombination eines Gasturbinen- und eines Dampf-Prozesses, in welcher der Gasturbinen-Prozess seine Abwärme an das Speisewasser des Dampf-Prozesses abgibt, gekennzeichnet durch eine Vorwärmung des Speisewassers nach dem Austritt aus dem Kondensator (13) zuerst in mindestens einem Vorwärmer (15) durch Anzapfdampf und hernach in einem Wärmetauscher (7) durch das Arbeitsgas der Gasturbine (3).

**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.

Claims

**WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **.

Die Erfindung betrifft eine Kraftanlage zur Nutzung der in einem Kernreaktor erzeugten Wärme in einer Kombination eines Gasturbinen- und eines Dampf-Pozesses, in welcher der Gasturbinen-Prozess seine Abwärme an das Speisewasser des Dampf-Prozesses abgibt.

Für die Kombination eines Gasturbinen-Prozesses und eines Dampf-Prozesses mit dem Zwecke, den thermischen Wirkungsgrad der gesamten Anlage zu verbessern, sind mancherlei Schaltungen bekannt. Von besonderem Interesse ist eine Schaltung, in welcher ein geschlossener Gasturbinen-Prozess seine Abwärme statt an Kühlwasser abzugeben, an das Kondensat des Dampf-Prozesses überträgt. Statt das Kondensat in Anzapfdampf-Vorwärmern, wie in Dampfanlagen üblich, vorzuwärmen, wird dieses in einem Gaskühler durch Wärmetausch erwärmt. Da das aus dem Kondensator austretende Kondensat beinahe so kalt ist wie das Kühlwasser, ist die Kühlung des Gases sehr wirksam. Es hat sich aber gezeigt, dass damit nicht der beste Gesamtwirkungsgrad erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit den Wirkungsgrad zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Vorwärmung des Speisewassers nach dem Austritt aus dem Kondensator zuerst in mindestens einem Vorwärmer durch Anzapfdampf und hernach in einem Wärmetauscher durch das Arbeitsgas der Gasturbine.

In der Zeichnung ist das Schema einer derart konzipierten Kraftanlage dargestellt. 1 ist ein Kernreaktor mit seinen zugehörigen Wärmetauschern. Die elektrische Energie wird zum Teil, z. B. zu einem Drittel, in einer Gasturbinengruppe mit geschlossenem Prozess erzeugt, die aus dem Verdichter 2, der Expansionsturbine 3 und dem Stromerzeuger 4 besteht. Das Arbeitsgas, z. B. Luft oder Helium, wird im Verdichter beispielsweise von 10 bar auf 30 bar verdichtet. Nach dem Austritt aus dem Verdichter 2 kann es zuerst im Wärmetauscher 5 vorgewärmt werden, der aber nicht unter allen Umständen notwendig ist. Hierauf wird das Arbeitsgas im Teil 6 des Reaktors 1 erhitzt, sei es durch direkte Berührung mit dem aktiven Kern, sei es unter Zwischenschaltung eines Wärmeträgers wie z. B. flüssigen Natriums oder eines inerten Gases.

Das heisse Gas leistet in der Turbine 3 Arbeit, erwärmt sodann im Wärmetauscher 5, falls ein solcher vorhanden ist, das verdichtete Arbeitsgas und gibt im Wärmetauscher 7 Wärme an den Kreislauf der Dampfturbinengruppe ab. Hernach wird es zum Verdichter 2 zurückgeführt.

Die Dampfturbinengruppe besteht aus der Hochdruckturbine 8, der Niederdruckturbine 9 und dem Stromerzeuger 10.

Der Frischdampf wird im Teil 11 des Kernreaktors erzeugt. Er wird nach teilweiser Arbeitsleistung in der Hochdruckturbine 8 im Teil 12 des Reaktors 1 zwischenüberhitzt und arbeitet hernach in der Niederdruckturbine 9, bis er in den Kondensator 13 gelangt. Das Kondensat wird mit der Speisepumpe 13 in den Reaktor 1 zurückgepumpt und dabei in zwei Wärmetauschergruppen vorgewärmt: zuerst in einer Anzahl Anzapfdampf-Speisewasservorwärmern 15 und hernach im Wärmeáu- scher 7 durch die Abwärme der Gasturbine.

Die bekannten Vorteile der beschriebenen kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage gegenüber der Dampfanlage allein liegt darin, dass der Gasturbinen-Prozess seine ganze Abwärme in den Dampf-Prozess abgibt. Die Wärmeenergie, die man zusätzlich zuführen muss, um die Gasturbinen-Nutzleistung zu decken, ist, sieht man von einem kleinen Zusatz für die Wärmeverluste der isolierten Flächen ab, gleich der am Stromerzeuger abgegebenen Energie. Es erscheint daher paradox, wenn das Speisewasser, mit welchem man das Gas kühlt, zuerst in einigen Stufen mittels Anzapfdampf vorgewärmt wird. Denn würde man direkt mit dem kalten Kondensat kühlen, würde die Temperatur des Arbeitsgases am Eintritt in den Verdichter gesenkt, die Verdichtungsleistung daher vermindert und die Nutzleistung der Gruppe erhöht werden.

Eingehende Berechnungen haben gezeigt, dass die Anordnung einer ersten, zweiten, eventuell weiterer Anzapfdampf Vorwärmstufen für die Gesamtanlage nicht nur unschädlich ist.

sondern einen Vorteil bringt, trotzdem die Gase jetzt nicht mehr so tief abgekühlt werden können und die Verdichtungsleistung zunimmt. Der Vorteil wird mit jeder zugefügten Stufe kleiner und schlägt nach drei bis vier Stufen in einen Nachteil um. Die Anzapfdampf-Vorwärmung ist nur so weit vorzutreiben, als dies noch Vorteile bringt.

Wenn das Druckverhältnis des Verdichters für eine Kühlung des Gases durch eine kalte Flüssigkeit optimiert wurde, so muss bei warmer Flüssigkeit die Optimierung wiederholt werden. Das optimale Druckverhältnis wird kleiner. Der Verteuerung der Dampfseite durch die Vorwärmer steht eine Verbilligung der Gasseite gegenüber. Was man erstreben muss, ist nicht notwendigerweise ein Maximum des Gesamtwirkungsgrades, sondern ein Maximum der Gesamtwirtschaftlichkeit.

Der Verdichter der Gasturbinengruppe hat in manchen Anlagen einen Zwischenkühler. Auch für diesen ist als Kühlmedium vorgewärmtes Speisewasser zu nehmen, am einfachsten parallel zum Wärmetauscher 7. In den meisten Fällen ist jedoch bei kombinierten Anlagen eine Zwischenkühlung entbehrlich.

Die Gas-, Speisewasser- und Dampfströme, die in die Teile 6, 11 und 12 des Reaktors gelangen, haben eine verhältnismässig hohe Temperatur. Wäre die Wärmequelle nicht ein Kernreaktor, sondern ein Kessel für fossile Brennstoffe, so wäre man in Verlegenheit, die Verbrennungsgase so abzukühlen, bevor sie in die Atmosphäre gelangen, dass kein untragbarer Wärmeverlust entstünde. Vom Kernreaktor gelangen aber keine Abgase in die Atmosphäre. Aus diesem Grund beschränkt sich das Interesse an dem beschriebenen Verfahren auf Kernenergie-Anlagen.

PATENTANSPRUCH

Kraftanlage zur Nutzung der in einem Kernreaktor erzeugten Wärme in einer Kombination eines Gasturbinen- und eines Dampf-Prozesses, in welcher der Gasturbinen-Prozess seine Abwärme an das Speisewasser des Dampf-Prozesses abgibt, gekennzeichnet durch eine Vorwärmung des Speisewassers nach dem Austritt aus dem Kondensator (13) zuerst in mindestens einem Vorwärmer (15) durch Anzapfdampf und hernach in einem Wärmetauscher (7) durch das Arbeitsgas der Gasturbine (3).