DE102004040890A1

DE102004040890A1 - Kraftwerksanlage, und Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE102004040890A1
Application number: DE102004040890A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Althaus
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2005-03-31

Abstract

Eine Kraftwerksanlage umfasst eine Gsturbogruppe (1), einen Druckluftspeicher (201) und wenigstens eine Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203), wobei die Gasturbogruppe wenigstens einen Verdichter (101), wenigstens eine stromab des Verdichters angeordnete Brennkammer (102) sowie eine wenigstens eine stromab der Brennkammer angeordnete erste Turbine (103) aufweist. Stromab der Gasturbogruppe ist ein Wärmeübertragungsapparat (202) angeordnet, welcher primärseitig im Rauchgaspfad der Turbine angeordnet ist und welcher sekundärseitig in einem von dem Druckluftspeicher (201) zu der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) führenden Fluidströmungsweg angeordnet ist. Im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe ist stromauf des Wärmeübertragungsapparates eine Wärmezuführeinrichtung, insbesondere eine Zusatzfeuerungsführungseinrichtung (4), angeordnet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin bevorzugte Verfahren zum Betrieb einer derartigen Kraftwerksanlage.

Luftspeicherturbinen sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Beim Betrieb von Luftspeicherturbinen wird Luft im Allgemeinen über mehrere Kompressorstufen mit Zwischenkühlung verdichtet und entfeuchtet, und die Druckluft wird in einem geeigneten Speicher, beispielsweise in einer unterirdischen Kaverne, zwischengespeichert. Die gespeicherte Druckluft kann im Bedarfsfalle aus dem Speicher entnommen und unter der Abgabe von Wellenleistung in einer Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine entspannt werden. Zur besseren Ausnutzung des gespeicherten Volumens ist es weiterhin eine übliche Massnahme, die Luft vorgängig der Entspannung und/oder während der Entspannung zu erwärmen, was meist indirekt mittels Wärmeübertragern erfolgt. Damit kann eine Rauchgasbeaufschlagung der Speicherfluid-Entspannungsturbine vermieden werden, und die Speicherfluid- Entspannungsturbine kann einfacher und billiger gebaut werden; eine interne Feuerung ist aber selbstverständlich durchaus im Bereich des Möglichen.

Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Ausgangstemperatur der Druckluft eignen sich Luftspeicheranlagen mit Heissluftturbinen und Erwärmung durch externe Quellen über Wärmeübertrager ganz besonders zur Nutzung von bei niedrigen Temperaturen anfallender Wärme.

Aus der US 5,537,822 ist eine derartige Anlage bekanntgeworden, bei der zur Erwärmung der Speicherluft die Abgaswärme einer Gasturbogruppe herangezogen wird. Hierbei zeigen sich aber die Leistungspotenziale begrenzt, weil die zur Verfügung stehende Abwärme begrenzt ist. Insgesamt tut sich folgende Schere auf: Um die Abgaswärme der Gasturbogruppe möglichst effizient zu nutzen, muss ein bestimmter Massenstrom durch die Speicherfluid-Entspannungsturbine strömen. Damit bestehen aber keine nennenswerten Potenziale mehr, unabhängig von der Leistung der Gasturbogruppe die Leistung der Speicherfluid-Entspannungsturbine zu erhöhen; eine weitere unabhängige Leistungserhöhung der Speicherfluid-Entspannungsturbine ohne Leistungsveränderung der Gasturbogruppe erfordert einen erhöhten Entnahmemassenstrom aus dem Speicher, verbunden mit einer sinkenden Eintrittstemperatur der Speicherfluid-Entspannungsturbine und damit einer schlechten Ausnutzung des gespeicherten Fluides aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden massenspezifischen Enthalpiegefälles.

Bei der bekanntgewordenen Kraftwerksanlage erweist es sich weiterhin als nachteilig, dass die Ladeverdichter auf einem Wellenstrang mit der Speicherfluid-Entspannungsturbine angeordnet sind, was in einer suboptimalen Flexibilität der Lastverteilung zwischen Ladebetrieb und Leistungsbetrieb resultiert.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftwerksanlage sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden vermag.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe unter Verwendung der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, und weiterhin unter Verwendung eines Verfahrens gemäss einem der Verfahrensansprüche.

Kern der Erfindung ist es also, im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe stromauf eines Wärmeübertragungsapparates, welcher zur Erwärmung des aus dem Druckluftspeicher entnommenen Fluides mittels der Abwärme einer Gasturbogruppe dient, eine Wärmezuführeinrichtung, insbesondere eine Zusatzfeuerung, anzuordnen. Damit kann die dem Luftspeicherprozess zur Verfügung stehende Wärme höchst wirkungsvoll von der Leistung der Gasturbogruppe entkoppelt werden. Mit grösstem Vorteil ist im Fluidströmungsweg zwischen dem Druckluftspeicher und der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine ein Absperr- und/oder Drosselorgan angeordnet, welches die Regelung des dem Speichervolumen entnommenen Fluidmassenstroms ermöglicht.

Als Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine findet gemäss einer Ausführungsform der Erfindung eine Turbine Verwendung, welche nachfolgend als Speicherfluid-Entspannungsturbine referiert wird. Selbstverständlich können auch andere Kraftmaschinentypen Verwendung finden.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist im Rauchgaspfad stromab des Wärmeübertragungsapparates eine Temperaturmessstelle angeordnet. Die dort gemessene Temperatur wird in einer bevorzugten Betriebsweise als Regelgrösse für einen Temperaturregler verwendet, welcher durch Eingriffe auf das Drosselorgan den Fluidmassenstrom so verändert, dass die gemessene Rauchgastemperatur auf einem Sollwert oder in einem Sollwertintervall bleibt. beispielsweise wird die Abgastemperatur so eingeregelt, dass sie um eine Sicherheitsmarge über einer Taupunktstemperatur liegt; dies ermöglicht eine bestmögliche Ausnutzung der Abwärmepotenziale bei gleichzeitiger Sicherheit gegen Taupunktsunterschreitungen des Abgases. Gleichzeitig wird bevorzugt die Zusatzfeuerungsleistung mit der Leistung des Generators der Druckspeicheranlage als Regelgrösse betrieben.

Es ist prinzipiell auch möglich, den Fluidmassenstrom über den Leistungsregler und die Feuerungsleistung über den Temperaturregler zu regeln.

Auch bei anderen Betriebsmodi ist es von Vorteil, die Abgastemperatur stromab des Wärmeübertragungsapparates zu messen, und diese in eine Sicherheitslogik der Anlagensteuerung mit einfliessen zu lassen, derart, dass bei Unterschreiten eines Mindestwertes, der brennstoffabhängig vorgegeben sein kann, entsprechende Sicherheitsmassnahmen auszulösen, damit eine Unterschreitung des Taupunktes von Rauchgaskomponenten vermieden wird.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist im Rauchgaspfad ein Rauchgasreinigungskatalysator angeordnet. Ein derartiger Katalysator weist ein Temperaturfenster auf, in welchem er betrieben werden muss, weil bei höheren Temperaturen Schäden auftreten, und bei niedrigeren Temperaturen keine katalytische Reinigungswirkung gewährleistet werden kann. Dieses Temperaturfenster ist vom Katalysator und den verwendeten Materialien abhängig, und liegt beispielsweise im Bereich von 250°C bis 300°C. Im Allgemeinen darf der Katalysator daher keinesfalls unmittelbar von der Gasturbogruppe aus oder gar unmittelbar von der Zusatzfeuerung mit Rauchgas angeströmt werden. Erfindungsgemäss wird der Katalysator daher innerhalb des Wärmeübertragungsapparates angeordnet, derart, dass das Rauchgas bis zum Katalysator bereits einen Teil des Wärmeübertragungsapparates durchströmt und sich dabei teilweise abgekühlt hat. In einer einfachsten Ausführungsform wird der Katalysator an einer Stelle des Wärmeübertragungsapparates stromab eines ersten Teils des Wärmeübertragungsapparates und stromauf eins zweiten Teils des Wärmeübertragungsapparates angeordnet, an der er bei nominalen Betriebsbedingungen der Kraftwerksanlage eine beste Betriebstemperatur vorfindet.

In einer Ausführungsform ist der Wärmeübertragungsapparat in zwei in Serie durchströmte eigenständige Einheiten unterteilt, zwischen denen der Katalysator angeordnet ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist im Wesentlichen am Eintritt in den Katalysator oder auch unmittelbar im Katalysator oder am Katalysatormaterial eine Temperaturmessstelle angeordnet. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der aus dem Druckluftspeicher entnommene Massenstrom so geregelt, dass die Temperatur am Katalysatoreintritt durch einen stetigen Regler auf einen Sollwert eingeregelt wird, oder durch einen unstetigen Zweipunktregler innerhalb eines Sollwertintervalls geregelt wird. Die Feuerungsleistung der Zusatzfeuerung wird dann in einer Betriebsvariante mit der Leistung des Generators des Druckspeicherprozesses als Regelgrösse betrieben.

Alternativ kann die Zusatzfeuerungsleistung in Abhängigkeit von der Katalysatoreintrittstemperatur und der Massenstrom in Abhängigkeit von der Leistung geregelt werden.

Eine Messung und Überwachung der Katalysatoreintrittstemperatur ist auch bei anderen Betriebsverfahren von Vorteil, um beim Über- oder Unterschreiten zulässiger Limiten Abfangaktionen auszulösen, welche beispielsweise eine irreversible Schädigung des Katalysators zu vermeiden vermögen.

In einer weiteren Betriebsweise der erfindungsgemässen Kraftwerksanlage wird die Leistungsabgabe des Druckspeicherprozesses nicht geregelt. Hingegen wird wenigstens eine, bevorzugt zwei, der folgenden Temperaturen gemessen: Die Temperatur des Rauchgases stromab des Wärmeübertragungsapparates, die Temperatur des Katalysators oder des Rauchgases im Wesentlichen unmittelbar stromauf des Katalysators, und die Temperatur des Speicherfluides am Austritt aus dem Wärmeübertragungsapparat oder am Eintritt in die Speicherfluid- Entspannungskraftmaschine. Eine der Temperaturen wird als Regelgrösse für die Ansteuerung der zusätzlichen Wärmezufuhr zum Rauchgas, also insbesondere der Feuerungsleistung der Zusatzfeuerung, herangezogen. Die zweite Temperatur wird als Regelgrösse für die Steuerung des Speicherfluid-Massenstroms herangezogen. Weitere gemessene Temperaturen werden mit Vorteil im Sinne von Schutzmassnahmen als Regelgrössen für Grenzregelungen über Eingriffe auf die Zusatz-Wärmezufuhr und den Speicherfluid-Massenstrom herangezogen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Leitung angeordnet, über die Fluid vom Druckluftspeicher zur Gasturbogruppe leitbar ist, und welche stromab des Verdichters und stromauf der Brennkammer im Strömungsweg der Gasturbogruppe mündet. Damit kann dem Gasturbinenprozess Fluid zur Verbrennung und Entspannung zur Verfügung gestellt werden, welches nicht gleichzeitig verdichtet werden muss. Dies ermöglicht eine weitere Leistungssteigerung der Kraftwerksanlage, weil ja entweder ein geringerer Luftmassenstrom arbeitsaufwändig im Verdichter der Gasturbogruppe verdichtet werden muss, als zur Verbrennung und Entspannung zur Verfügung steht, oder der Turbinenmassenstrom über den maximalen Verdichtermassenstrom angehoben werden kann, woraus über den erhöhten Rauchgasmassenstrom zusätzlich ein höheres Abwärmepotenzial zur Nutzung im Druckspeicherprozess zur Verfügung steht. Das der Gasturbogruppe zugeführte Fluid wird mit Vorteil innerhalb des Wärmeübertragungsapparates, stromab des Wärmeübertragungsapparates, oder in teilentspannter Form während des Entspannungsvorgangs des Druckspeicherprozesses entnommen. Es ist von Vorteil, wenn die Entnahmestelle so angeordnet ist, dass die Entnahmetemperatur wenigstens näherungsweise der Temperatur am Verdichteraustritt der Gasturbogruppe entspricht; dies vermeidet übergrosse Mischungsverluste. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Entnahmedruck wenigstens näherungsweise dem Verdichterenddruck entspricht und gering darüber liegt; dies vermeidet unnötig hohe Drosselungsverluste.

In einer weiteren Betriebsweise der erfindungsgemässen Kraftwerksanlage wird die Speicherfluidtemperatur am Austritt aus dem Wärmeübertragungsapparat gemessen. Diese Temperatur kann als Regelgrösse entweder für den dem Druckspeicher entnommenen Massenstrom oder für die Zusatzfeuerungsleistung herangezogen werden. Komplementär dazu wird in einer Verfahrensvariante die Leistung des Generators des Druckspeicherprozesses als Regelgrösse für die Leistung der Zusatzfeuerung oder für den Fluidmassenstrom verwendet werden.

Die Messung und Überwachung dieser Fluidtemperatur ist unabhängig von der beschriebenen Betriebsweise auch von Vorteil, um beim Überschreiten einer maximal zulässigen Temperatur Schutzeingriffe auszulösen.

Die Ladeverdichter zur Aufladung des Druckluftspeichers sind bevorzugt entweder unabhängig von den Krafterzeugungskomponenten mit eigenen Antriebsmotoren angeordnet, was eine maximal flexible Betriebsweise erlaubt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Ladeverdichter mit dem Wellenstrang der Gasturbogruppe koppelbar. Dazu ist in einer ersten Ausführungsform ein Generator fest mit der Gasturbogruppe gekoppelt. Der Generator weist ein zweites Wellenende auf, welches auf die Verdichter zur Aufladung des Druckluftspeichers aufschaltbar ist. Die Wellenleistung der Gasturbogruppe kann durch eine Verstellung der Erregung des Generators und des Betriebspunktes des Ladeverdichters variabel zwischen diesen beiden Leistungsverbrauchern aufgeteilt werden. Dabei kann auch die Phase des Generators im Sinne einer Blindleistungsregelung sehr flexibel verändert werden. In einer weiteren Ausführungsform ist der Generator derart ausgeführt, dass er auch elektromotorisch betreibbar ist. In einer dritten Ausführungsform ist zwischen dem Generator und der Gasturbogruppe eine schaltbare Kupplung angeordnet, derart, dass der Generator zum alleinigen Antrieb der Ladeverdichter motorisch betrieben werden kann, während die Gasturbogruppe steht.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist im Strömungsweg des Speicherfluides eine zusätzliche Wärmezuführeinrichtung angeordnet. Diese kann stromab des Wärmeübertragungsapparates und stromauf der Entspannungskraftmaschine angeordnet sein, stromauf des Wärmeübertragungsapparates, oder in einer den Wärmeübertragungsapparat umgehenden Nebenschlussleitung. Die erstgenannte Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung auch im nominellen Betrieb der Kraftwerksanlage nutzbar ist, um die Eintrittstemperatur der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine über den in dem Wärmeübertragungsapparat erzielbare Mass anzuheben. Damit ist zum Beispiel ein Betriebskonzept möglich, bei dem auf die oben beschriebene Weise die Wärmezufuhr zum Rauchgas und der Speicherfluid-Massenstrom mit der Katalysator-Eintrittstemperatur und der Abgastemperatur stromab des Wärmeübertragungsapparates als Regelgrössen gesteuert werden; das heisst, es wird ein katalysator- und abgaswärmeoptimiertes Betriebskonzept realisiert. Unabhängig davon kann über die zusätzliche Wärmezufuhr zum Speicherfluid stromab des Wärmeübertragungsapparates, welche einen zusätzlichen Freiheitsgrad der Prozessregelung darstellt, die Eintrittstemperatur der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine optimiert werden.

Die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung kann als unmittelbar in den Strömungsweg integrierte Feuerungseinrichtung ausgeführt sein, oder als Wärmetauscher mit einer äusseren Feuerung. Die erste Bauart hat den Vorteil, billiger zu sein, und im Allgemeinen mit geringeren Druckverlusten behaftet zu sein als ein im Strömungsweg angeordneter Wärmetauscher einer externen Feuerung. Eine externe Feuerung hat demgegenüber den Vorteil, dass das Speicherfluid nicht mit Rauchgaskomponenten kontaminiert wird. Dies hat dann erhebliche Vorteile, wenn beispielsweise eine handelübliche Dampfturbine als Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine Anwendung findet, welche nicht für die Beaufschlagung mit aggressiven heissen Rauchgasen vorgesehen ist. Wenn die Kraftwerksanlage häufig mit zusätzlicher Wärmezufuhr zum Speichermedium betrieben werden soll, und die erheblichen Investitionskosten einer rauchgasbeständigen Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine vermieden werden sollen, ist die indirekte Wärmezufuhr zu bevorzugen. Hier muss allerdings für eine effiziente Ausnutzung der zur Verfügung gestellten Wärme Sorge getragen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Für das Verständnis der Erfindung nicht unmittelbar notwendige Elemente sind weggelassen. Die Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen, und sollen nicht zu einer Einschränkung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung herangezogen werden.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in 1 dargestellt. Die Kraftwerksanlage umfasst eine Gasturbogruppe 1, eine Speicheranlage 2, sowie eine Aufladeeinheit 3. Die schematisch dargestellte Gasturbogruppe 1 umfasst einen Verdichter 101, eine Brennkammer 102, eine Turbine 103, sowie einen Generator 104. Der Generator kann häufig auch als Startvorrichtung für die Gasturbogruppe motorisch betrieben werden. Die Gasturbogruppe ist eine beliebige Gasturbogruppe, wie sie am Markt erhältlich ist, was auch die Möglichkeit mehrwelliger Installationen oder von Gasturbogruppen mit sequentieller Verbrennung, also mit zwei strömungsmässig in Serie geschalteten Turbinen und einer dazwischen angeordneten Brennkammer einschliesst. Eine solche Gasturbogruppe ist aus EP 620 362 bekanntgeworden. Ebenso kann auch ein Getriebe zwischen der Abtriebswelle der Gasturbogruppe und dem Generator angeordnet sein; die dargestellte Bauart der Gasturbogruppe ist nicht einschränkend zu verstehen. Auf an sich bekannte Weise wird Umgebungsluft im Verdichter 101 verdichtet, der verdichteten Luft in der Brennkammer 102 Wärme zugeführt, und das entstehende gespannte Heissgas in der Turbine 103 unter Abgabe einer Leistung entspannt. Die Turbine treibt den Verdichter 101 sowie den Generator 104 an. Der Generator 104 erzeugt eine Nutzleistung P₁, welche erfasst und zur Leistungsregelung der Gasturbogruppe herangezogen wird, was sehr vereinfacht dargestellt ist. Wenn die Leistung als Regelgrösse sinkt, wird das Brennstoffmengen-Stellorgan 6 geöffnet. Eine solche Leistungsregelung umfasst selbstverständlich noch Soll-Istwert-Vergleiche, Begrenzer für Temperaturen und Drücke, und vieles mehr, was aber dem Fachmann geläufig ist und daher im Sinne der Übersichtlichkeit nicht dargestellt wurde. Weiterhin umfasst die dargestellte Kraftwerksanlage eine Speicheranlage 2, deren Kernelemente der Druckluftspeicher 201 und die Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine, vorliegend eine Speicherfluid-Entspannungsturbine 203, darstellen. Als Speicherfluid-Entspannungsturbine kann beispielsweise eine marktgängige Serien-Dampfturbine verwendet werden, welche nur geringe Modifikationen erfordert; das durchströmende Druckspeicherfluid ist dann im Sinne einer hohen Lebensdauer bevorzugt Luft oder ein anderes nicht aggressives Gas, bei Eintrittstemperaturen von maximal rund 550°C bis 650°C. Der Druckluftspeicher kann auf an sich bekannte Weise mit komprimierter Luft aufgeladen werden, was bevorzugt zu Zeiten niedrigen Elektrizitätsbedarfs und niedriger Strommarktpreise geschieht. Im Beispiel ist eine Ladeeinheit 3 dargestellt, welche einen ersten Kompressor 301, einen Zwischenkühler mit Entfeuchter 302, einen zweiten Kompressor 303, sowie einen zweiten Luftkühler/Entfeuchter 304 enthält. Der Antrieb erfolgt durch den Motor 305. Beim Betrieb der Verdichter wird komprimierte Luft in das Speichervolumen 201 gefördert; beim Stillstand der Ladeeinheit 3 verhindert ein Rückschlagorgan 306 ein Rückströmen der Luft. Ein Absperr- und/oder Drosselorgan 7 regelt die Abströmung von Druckluft aus dem Druckspeicher 201 zur Speicherfluid-Entspannungsturbine 203. Aus dem Druckspeicher abströmendes Fluid wird in der Turbine 203 unter Abgabe von Leistung entspannt, die zum Antrieb eines Generators 204 dient, der eine Leistung P₂ erzeugt. In einem einfachsten Falle kann diese Leistung als Regelgrösse zur Ansteuerung des Drosselorgans 7 herangezogen werden. Da die Temperatur des im Druckluftspeicher gespeicherten Fluides niedrig ist, ist die massenstrom-spezifische Leistungsabgabe der Speicherfluid-Entspannungsturbine zunächst sehr gering, was in einer extrem schlechten Ausnutzung des Speichervolumens resultiert. Daher ist im Strömungsweg zwischen dem Druckluftspeicher 201 und der Turbine 203 ein Wärmeübertragungsapparat 202 angeordnet, über den vorgängig der Entspannung in der Turbine 203 Wärme auf das Speicherfluid übertragen werden kann. Selbstverständlich wäre auch die Anordnung einer internen Feuerungseinrichtung im Strömungsweg der Druckluft möglich, was aber wiederum Massnahmen erforderlich macht, welche nicht Gegenstand dieser Erfindung sind. So müssen dann geeignete Massnahmen an der Turbine 203 getrieben werden, weil diese anstatt von erhitzter Luft von Rauchgas durchströmt wird. Eine Ausführungsform, bei der strom ab des Wärmeübertragungsapparates 202 und stromauf der Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 eine Brennkammer angeordnet ist, ist aber im Umfang der Ansprüche durchaus ebenfalls enthalten und wird unten dargestellt, auch wenn die dargestellte Ausführungsform mit ausschliesslich äusserer Wärmeübertragung im Allgemeinen als vorteilhaft erachtet wird. Die niedrige Ausgangstemperatur aus dem Druckluftspeicher macht die Druckspeicheranlage sehr attraktiv zur Nutzung auf niedrigem Temperaturniveau anfallender Wärme, wie beispielsweise Solarwärme oder auch die Abwärme einer Gasturbogruppe, oder einer anderen Wärmekraftmaschine. Daher ist der Wärmeübertragungsapparat im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe 1 angeordnet, und wird von diesem primärseitig durchströmt, während der Wärmeübertragungsapparat sekundärseitig im Gegenstrom zum Rauchgas von dem gespannten Fluid aus dem Druckluftspeicher durchströmt wird. Beim Durchströmen des Wärmeübertragungsapparates wird also das aus dem Druckluftspeicher abströmende Fluid unter Nutzung der Abwärme der Gasturbogruppe erwärmt, wohingegen die Rauchgase sich abkühlen. Eine beste Abwärmenutzung stellt sich ein, wenn die Rauchgase soweit als möglich abgekühlt werden, wobei eine Unterschreitung des Taupunktes der Rauchkomponenten vermieden werden soll; insbesondere bei der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe, wie Öl, können sonst schwerwiegende Korrosionsschäden die Folge sein. Stromab des Wärmeübertragungsapparates ist eine Temperaturmessstelle 8 zur Messung der Rauchgastemperatur angeordnet. Eine Regelung ist derart aufgebaut, dass mit der dort gemessenen Temperatur als Regelgrösse das Drosselorgan 7 angesteuert wird. Bei steigender Rauchgastemperatur stromab des Wärmeübertragungsapparates öffnet das Drosselorgan 7, wodurch der sekundärseitige Massenstrom des Wärmeübertragungsapparates steigt, und das Rauchgas stärker abgekühlt wird. Diese Regelung kann für den Fachmann selbstverständlich als stetige Regelung, welche die Temperatur auf einem näherungsweise konstanten Sollwert hält, oder als unstetiger Zweipunktregler, welcher die Temperatur zwischen einer Obergrenze und einer Untergrenze regelt, ausgeführt sein. Weiterhin ist stromauf des Wärmeübertragungsapparates im Rauchgaspfad eine Zusatzfeuerungseinrichtung 4 angeordnet. Diese ermöglicht es, die Eintrittstemperatur des Rauchgases in den Wärmeübertragungsapparat zu erhöhen, und somit das für den nachgeordneten Druckspeicherprozess zur Verfügung stehende Leistungspotenzial auf höchst wirkungsvolle Weise vom Betriebszustand der Gasturbogruppe zu entkoppeln. Im dargestellten Beispiel wird das Brennstoffmengen-Stellorgan 5 der Zusatzfeuerung mit der Leistung P₂ des Generators 204 der Druckspeicheranlage als Regelgrösse angesteuert: Bei sinkender Leistung öffnet das Stellorgan 5, und die Zusatzfeuerungsleistung wird erhöht. Damit steigt vorderhand die Temperatur am Eintritt in die Turbine 203, was zu einer ersten Leistungssteigerung führt. Zudem registriert die Messstelle 8 einen Anstieg der Rauchgastemperatur, womit durch einen Eingriff auf das Drosselorgan 7 der Fluidmassenstrom aus dem Druckluftspeicher erhöht wird, was weiterhin zu einer Leistungssteigerung führt. Die Temperatur des Fluides am Eintritt in die Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 sinkt bei entsprechender Dimensionierung des Wärmeübertragungsapparates 202 wieder. Es ist sehr vorteilhaft und dem Fachmann geläufig, wenn die Temperatur der Druckluft am Austritt aus dem Wärmeübertragungsapparat oder am Eintritt in die Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 auf nicht dargestellte, dem Fachmann aber geläufige Art, überwacht und als Regelgrösse einer Grenzwertregelung verwendet wird, indem beispielsweise bei Überschreitung eines zulässigen Maximalwertes das Stellorgan 5 weiter geschlossen oder dessen Öffnung begrenzt wird.
Ebenso ist für den Fachmann im Lichte dieser Ausführungen eine Regelung auch ohne explizite Darstellung ohne Weiteres nachvollziehbar, bei der die Eintrittstemperatur der Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 als Regelgrösse für die Öffnung des Brennstoffmengen-Stellorgans 5 herangezogen wird; eine solche Regelung kann für eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Speichervolumens verwendet werden, da die Eintrittstemperatur der Speicherfluid-Entspannungsturbine an einem Maximum geregelt werden kann, was in einem maximalen spezifischen Enthalpiegefälle über die Turbine 203 resultiert. Idealerweise wird die Öffnung des Drosselorgans 7 in diesem Falle mit der Leistung des Generators 204 als Regelgrösse betrieben, indem bei kleiner werdender Leistung das Drosselorgan weiter geöffnet, und umgekehrt bei steigender Leistung geschlossen wird. Dass ein Soll-Istwert-Abgleich der Regelgrösse stattfinden muss, wird als bekannt vorausgesetzt. Mit Vorteil wird auch bei dieser Betriebsweise die an der Messstelle 8 erfasste Rauchgastemperatur als Regelgrösse einer Grenzwertregelung herangezogen, derart, dass beispielsweise bei drohender Taupunktsunterschreitung das Drosselorgan 7 weiter geschlossen wird.
Gemäss einer zweiten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, ist im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe ein Katalysator 205 angeordnet, der zur Rauchgasreinigung dient. Dieser ist innerhalb des Wärmeübertragungsapparates angeordnet, und zwar stromab eines ersten Teiles des Wärmeübertragungsapparates und stromauf eines zweiten Teiles des Wärmeübertragungsapparates. Das Rauchgas-Temperaturgefälle, welches sich über den Wärmeübertragungsapparat einstellt, wird auf diese Weise derart aufgeteilt, dass der Katalysator 205 mit einer Temperatur angeströmt wird, die einerseits niedriger ist, als die des Rauchgases am Eintritt in den Wärmeübertragungsapparat, aber höher als die des Abgases stromab des Wärmeübertragungsapparates. Durch diese Anordnung kann eine gute Funktion des Katalysators gewährleistet werden. Ganz besonders gut kann diese gewährleistet werden, wenn, wie dargestellt, eine Temperaturregelung der Katalysatoreintrittstemperatur vorgenommen wird. Dazu ist im Wesentlichen unmittelbar stromauf des Katalysators eine Temperaturmessstelle 10 im Rauchgaspfad angeordnet, wobei die dort gemessene Temperatur auf einen Sollwert oder innerhalb eines Sollwertbereiches geregelt wird. Im vorliegenden Beispiel wird mit dieser Regelgrösse auf die Stellung des Drosselorgans 7 eingegriffen. Wenn die Temperatur am Katalysatoreintritt steigt, wird das Drosselorgan weiter geöffnet, wodurch der sekundärseitige Massenstrom des Wärmeübertragungsapparates ansteigt, und in Folge – unter Voraussetzung gleichzeitig konstanter Temperatur des Rauchgases am Eintritt in den Wärmeübertragungsapparat – die Temperatur am Katalysatoreintritt sinkt. Das Brennstoffmengenstellorgan 5 der Zusatzfeuerung 4 wird mit der Leistung P₂ des Generators 204 der Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 als Regelgrösse gesteuert. Eine Erhöhung der Feuerungsleistung der Zusatzfeuerung führt zunächst zu einem Anstieg der Temperatur am Katalysatoreintritt, und in Folge des oben beschriebenen Temperaturregelungsmechanismus zu einem Anstieg des Massenstroms durch die Druckspeicheranlage. Die dargestellte Ausführungsform weist weiterhin explizit dargestellte Temperaturmessstellen 8 und 9 auf, an denen die Temperatur des Rauchgases am Austritt des Wärmeübertragungsapparates 202 respektive die Temperatur des Speicherfluides am Austritt aus dem Wärmeübertragungsapparat 202 respektive am Eintritt in die Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 ermittelt wird. Beide werden im Sinne von Sicherheitsschaltungen als Regelgrössen für Grenzregelungen verwendet. Ein Übersteigen eines zulässigen Maximalwertes der an der Messstelle 9 gemessenen Temperatur begrenzt die Stellung des Brennstoffmengenstellorgans 5, oder schliesst dieses wenigstens teilweise. Ein Unterschreiten einer zulässigen Minimaltemperatur an der Messstelle 8 bewirkt eine Begrenzung oder ein Schliessen des Drosselorgans 7. Es ist klar, dass die Regelungsebenen hierarchisch gestuft sein müssen, in dem Sinne, dass eine als Sicherheitsschaltung vorgesehene Grenzregelung Vorrang vor den oben beschriebenen Temperatur- und Leistungsregelungsmechanismen hat.
Die gemäss 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich hinsichtlich der Regelung dahingehend, dass die Katalysatoreintrittstemperatur als Regelgrösse für das Brennstoffmengenstellorgan 5 herangezogen wird, während das Drosselorgan 7 mit der Leistung P₂ als Regelgrösse angesteuert wird. Weiterhin ist die Ladeeinheit 3 mechanisch mit dem Generator 104 der Gasturbogruppe 1 koppelbar. In der dargestellten Ausführungsform ist der Generator 104 vollwertig elektromotorisch betreibbar, und wird insofern in diesem Zusammenhang ganz allgemein als elektrische Maschine oder Motor/Generator-Einheit bezeichnet. Die Verbindung mit der Welle der Gasturbogruppe 1 ist über eine schaltbare Kupplung 11 herstellbar; hier kann auch eine feste Kopplung vorhanden sein. An einem zweiten Wellenende ist die Motor/Generator-Einheit 104 über eine schaltbare Kupplung 12 mit der Ladeeinheit 3 koppelbar. In einem reinen Ladebetrieb ist die Verbindung der Kupplung 12 geschlossen, und die Verbindung der Kupplung 11 geöffnet; die Motor/Generator-Einheit 104 wird rein motorisch betrieben. Im reinen Leistungsbetrieb ist Kupplung 11 geschlossen, und Kupplung 12 geöffnet; die Motor/Generator-Einheit wird von der Gasturbogruppe 1 angetrieben und arbeitet rein generatorisch. Daneben gibt es eine vorteilhafte Betriebsweise, bei dem beide Kupplungen geschlossen sind. Die elektrische Maschine 104 kann dann verschiedene Betriebszustände vom motorischen bis zum generatorischen Betrieb annehmen, und es kann stufenlos zwischen einem Betrieb mit Leistungsaufnahme und einem Betrieb mit Leistungsabgabe variiert werden. Diese Betriebsweise eignet sich ganz hervorragend, um die Phase der elektrischen Maschine 104 zu variieren, und damit in vorzüglicher Weise eine Blindleistungskompensation eines angeschlossenen Elektrizitätsnetzes zu realisieren. Weiterhin weist die Kraftwerksanlage eine Überströmleitung 13 mit einem Absperr- und Drosselorgan 14 auf. Über die Überströmleitung kann Fluid aus dem Druckspeicherprozess abgezweigt und stromab des Verdichters 101 und stromauf der Brennkammer 102 der Gasturbogruppe 1 dieser zugeführt werden. Damit steht für die Verbrennung und Expansion in der Gasturbogruppe ein höherer Massenstrom zur Verfügung, als der Verdichter 101 fördern muss, was weitere Leistungspotenziale erschliesst. In der Figur ist eine Entnahme in einer Zwischenexpansionsstufe des Speicherprozesses dargestellt. Die Wahl der geeigneten Abzweigestelle hängt insbesondere vom nominalen Druckverhältnis der Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 ab; der Entnahmedruck soll grösser als der Verdichterenddruck der Gasturbogruppe sein, diesen aber nicht zu sehr überschreiten, damit keine unnötig grossen Drosselungsverluste in Kauf genommen werden müssen. Es ist auch eine Entnahme im Wärmeübertragungsapparat oder zwischen dem Wärmeübertragungsapparat 202 und der Druckspeicher-Entspannungsturbine 203 möglich. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Entnahmestelle so gewählt ist, dass die Temperatur des entnommenen Fluides wenigstens näherungsweise der Temperatur am Verdichteraustritt der Gasturbogruppe 1 entspricht.
Eine Ausführungsform, bei der die Überströmleitung im Wärmeübertragungsapparat abzweigt, ist in 4 dargestellt. In Strömungsrichtung des Rauchgases ist die Entnahmestelle stromauf des Katalysators angeordnet, derart, dass die Temperatur des Druckspeicherfluides an dieser Stelle im Bereich von bevorzugt 350°C bis 450°C liegt oder, bei hohen Druckverhältnissen der Gasturbogruppe, auch bei 500°C oder darüber. Diese Temperatur ist also im Allgemeinen höher als die Temperatur am Katalysatoreintritt, woraus die dargestellte bevorzugte Anordnung der Entnahmestelle resultiert. Weiterhin ist die elektrische Maschine 104 direkt mit der Welle der Gasturbogruppe gekoppelt. In diesem Fall ist die vollwertige motorische Betriebsfähigkeit der Maschine 104 nicht zwingend erforderlich.
Die folgenden Figuren illustrieren Betriebsweisen der erfindungsgemässen Kraftwerksanlage, bei denen im Interesse einer thermodynamischen Optimierung des auf eine explizite Regelung der Leistungsabgabe der Druckspeicheranlage verzichtet wird. Die Leistungsabgabe der Druckspeicheranlage stellt sich dann in Folge der thermodynamischen Parameter ein.
In der Ausführungsform gemäss 5 wird an einer Temperaturmessstelle 8 die Rauchgastemperatur stromab des Wärmeübertragungsapparates als Abgastemperatur gemessen. An einer Temperaturmessstelle 9 wird eine Temperatur des Speicherfluides am Eintritt in die Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 gemessen. Die Stellung des Brennstoffmengenstellorgans 5 der Zusatzfeuerungseinrichtung 4 wird mit der Speicherfluid-Turbineneintrittstemperatur als Regelgrösse angesteuert. Es erfolgt eine Regelung so, dass die Temperatur am Eintritt in die Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 immer an einem Maximum gehalten wird; dabei kann wie bereits wiederholt beschrieben eine stetige Regelung oder eine unstetige Regelung, insbesondere eine Zweipunktregelung, Anwendung finden. Auf diese Weise ist das spezifische Enthalpiegefälle über die Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 am grössten, und das im Speichervolumen 201 gespeicherte Fluid wird bestmöglich zur Elektrizitätsgewinnung genutzt. Gleichzeitig wird der dem Speichervolumen 201 entnommene Massenstrom über Eingriffe auf die Stellung des Drosselorgans 7 derart eingestellt, dass die Abgastemperatur, die mit der Messstelle 8 gemessen wird, auf einem kleinstzulässigen Wert gehalten wird, der beispielsweise um einen Sicherheitsabstand von 20°C über der Taupunktstemperatur einer Rauchgaskomponente liegt. Die Sicherstellung der möglichst geringen Abgastemperatur stellt möglichst geringe Abgas-Wärmeverluste und eine bestmögliche Nutzung der Rauchgaswärme sicher. Der Katalysator 205 ist fakultativ. Bei dessen Anwesenheit ist es von Vorteil, dessen Eintrittstemperatur oder auch Materialtemperatur zu überwachen. Dies geschieht mit der Temperaturmessstelle 10. Wenn dort eine Temperatur beobachtet wird, welche eine im Interesse der Systemintegrität zulässige Obergrenze überschreitet, wird im Sinne einer Grenzregelung auf das Brennstoffmengenstellorgan 5 eingegriffen, und dessen Öffnung begrenzt, oder das Stellorgan wird sogar ein Stück geschlossen. Im Interesse einer Schutzschaltung hat dieser Regeleingriff selbstverständlich Vorrang vor der Regelung der Speicherfluid-Turbineneintrittstemperatur. Wenn die Temperatur an der Messstelle 10 unter einen Wert sinkt, der eine mindeste Reinigungsfunktion des Katalysators zu gewährleisten vermag, wird der Speicherfluidmassenstrom vermindert, und damit die Rauchgas-Temperaturabsenkung vom Eintritt des Wärmeübertragungsapparates bis zum Katalysator vermindert, und in der Konsequenz die Katalysatortemperatur wieder angehoben. Im Gegenzug steigt auch die Temperatur an der Messtelle 8 und damit die Abgaswärmeverluste; im Interesse einer Schutzschaltung hat die Grenzregelung der Katalysatortemperatur aber Vorrang. Wie deutlich ersichtlich, ist die Grenzregelung der Katalysatortemperatur so realisiert, dass Regeleingriffe immer auf die sichere Seite im Interesse der Integrität der Gesamtanlage erfolgen; es werden zwar die thermodynamischen Daten verschlechtert, was aber reversibel ist, und die Schutzeingriffe können nicht zu schädlichen Folgen an anderen Komponenten der Kraftwerksanlage führen. Es wird dieser Betrieb als speicherfluidnutzungs- und abgaswärmeoptimierter Betrieb bezeichnet. Die Leistung der Druckspeicheranlage ergibt sich aus dem sich einstellenden spezifischen Enthalpiegefälle über die Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 und dem Massenstrom des Speicherfluides. Es wäre prinzipiell auch möglich, die Temperatur an der Messstelle 9 durch eine Veränderung des Speicherfluid-Massenstroms mit der Stellung des Drosselorgans 7 als Stellgrösse zu regeln, und umgekehrt die Abgastemperatur an der Messstelle 8 durch Eingriffe auf das Brennstoffmengen-Stellorgan zu regeln. Es ist aber leicht ersichtlich, dass die Dynamik der Regelstrecken bei dem im Zusammenhang mit 5 beschriebenen Beispiel wesentlich einfacher zu überblicken ist, weshalb die dort vorgeschlagene Regelung die bevorzugte ist.
Gemäss dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur des Speicherfluides am Eintritt in die Turbine 203, gemessen mit der Messstelle 10, geregelt, wobei die Stellung des Brennstoffmengen-Stellorgans die Stellgrösse ist, und gleichzeitig wird die Katalysatortemperatur oder die Rauchgastemperatur stromauf des Katalysators, gemessen mit der Messstelle 10, geregelt, wobei die Stellung des Drosselorgans die Stellgrösse ist. Gleichzeitig sind im Sinne von Schutzschaltungen Grenzregelungen der Katalysatortemperatur oder der Rauchgastemperatur stromauf des Katalysators, sowie der an der Messstelle 8 erfassten Abgastemperatur realisiert. Eine Begrenzung der Stellung des Brennstoffmengen-Stellorgans 5 mit der Temperatur der Messstelle 10 als Regelgrösse verhindert eine Überhitzung des Katalysators 205. Eine Begrenzung der Stellung des Drosselorgans 7 mit der Abgastemperatur als Regelgrösse verhindert eine Taupunktsunterschreitung im Rauchgas stromab des Wärmeübertragungsapparates. Diese Regelung gewährleistet ein maximales spezifisches Enthalpiegefälle über die Speicherfluid-Entspannungsturbine 203 und gleichzeitig eine bestmögliche Katalysatorwirkung. Demgemäss wird dieser Betrieb als speicherfluidnutzungs- und katalysatoroptimierter Betrieb bezeichnet.
Gemäss 7 wird die Temperatur an der Messstelle 10 mit der Stellung des Brennstoffmengen-Stellorgans 5 der Zusatzfeuerungseinrichtung 4 als Stellgrösse geregelt. Die Abgastemperatur 8 wird mit der Stellung des Drosselorgans 7 als Stellgrösse geregelt. Damit ist es möglich, gleichzeitig eine optimale Katalysatortemperatur und eine möglichst geringe Abgastemperatur einzustellen. Dies wird als der katalysator- und abgaswärmeoptimierte Betrieb bezeichnet. Es ist weiterhin eine Grenzregelung der Speicherfluid-Turbineneintrittstemperatur, gemessen mit der Messstelle 9, vorgesehen, indem gegebenenfalls die Öffnung des Brennstoffmengen-Stellorgans 5 im Sinne einer Schutzschaltung begrenzt wird.
Bei der Ausführungsform gemäss 8 ist stromab des Wärmeübertragungsapparates 202 ein Wärmetauscher 15 mit einer externen Feuerung 16 im Strömungsweg des Speicherfluides angeordnet. Selbstverständlich kann hier auch eine Feuerungseinrichtung unmittelbar im Speicherfluid-Strömungsweg angeordnet sein; dies hat jedoch wie oben mehrfach erwähnt, Folgen für den Betrieb oder die Auswahl der nachgeordneten Speicherfluid-Expansionturbine. Bei Anordnung einer externen Feuerung muss aber explizit dafür Sorge getragen werden, die bereitgestellten thermischen Potenziale externen Feuerung auszunutzen. Dies ist darin begründet, dass das Speicherfluid beim Einströmen in den Wärmetauscher 15 bereits eine erhöhte Temperatur aufweist. Das in der Feuerung 16 bereitgestellte Heissgas kann aber im Wärmetauscher 15 nur bis zu dieser Temperatur abgekühlt werden. Es ist daher gemäss der in 8 dargestellten Ausführungsform vorgesehen, das Rauchgas der externen Feuerungseinrichtung nach Durchströmen des Wärmetauschers 15 in den Rauchgaspfad der Gasturbogruppe einzuleiten. Das Rauchgas durchströmt dann zusammen mit dem Rauchgas der Gasturbogruppe den Wärmeübertragungsapparat 202, wobei die Rauchgaswärme weiter genutzt wird. Im Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffzufuhr zu der externen Feuerung 16 mittels Eingriffen auf das Brennstoffmengen-Stellorgan 17 auf eine Konstanthaltung der Eintrittstemperatur der Speicherfluid-Expansionsturbine geregelt. Die Steuerung der Brennstoffzufuhr zur Rauchgas-Zusatzfeuerung 4 und des Speicherfluid-Massenstroms erfolgen auf oben beschriebene Weise, mit der Katalysatortemperatur oder Katalysator-Eintrittstemperatur als Regelgrössen. Weiterhin ist eine Nebenschlussleitung 18 des Speicherfluid-Strömungsweges angeordnet. Mittels des Wegeventils 19 kann das Speicherfluid-Massenstrom wahlweise durch die Sekundärseite des Wärmeübertragungsapparates 202 oder durch die Nebenschlussleitung geleitet werden. Die verleiht der Anlage ganz hervorragende Not-Stromerzeugungseigenschaften: Beim Ausfall der Gasturbogruppe 1 wird Speicherfluid zur Speicherfluid-Expansionsturbine 203 geleitet. Damit ist die Turbine in der Lage, den Generator 204 anzutreiben, und somit kann Strom erzeugt werden. Beim Wegfall der Erhitzung im Wärmeübertragungsapparat 202 kann eine Wärmezufuhr zum Speicherfluid in dem Wärmetauscher 15 erfolgen; dies erhöht das spezifische Enthalpiegefälle über die Turbine 203 und damit die Ausnutzung des gespeicherten Fluides. Die Leitung des Fluides durch die Nebenschlussleitung 28 verringert einerseits die Druckverluste im Strömungsweg. Auf der anderen Seite kann das gespeicherte Fluid auch dann genutzt werden, wenn der Strömungsweg über den Wärmeübertragungsapparat 202 zum Beispiel infolge einer Grosshavarie der Gasturbogruppe nicht verfügbar ist. Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass, sofern Fluid im Speicher 201 gespeichert ist, die Speicherfluid-Expansionsturbine 203 nur durch Öffnen des Drosselorgans 7 und Beaufschlagen der Turbine 203 mit unter Druck stehendem Speicherfluid ohne Hilfsenergie angefahren werden kann.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele vermitteln dem Fachmann einen instruktiven Einblick in die Vielfalt der im Rahmen der Erfindung möglichen Ausgestaltungen und Betriebsmodi einer Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art, wobei die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht erschöpfend sein sollen und können. Insbesondere können Ausgestaltungsmerkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele nahezu beliebig untereinander kombiniert werden. Die unterschiedlichen beschriebenen Regelungsmechanismen können in einer einzigen Anlage miteinander kombiniert werden, und es kann zwischen den unterschiedlichen Betriebs- und Regelungsmodi gewechselt werden, auch während des Betriebes.
Die Ausführungsbeispiele und beschriebenen Regelungsvarianten zeigen eindrucksvoll auf, welche Möglichkeiten sich durch die erfindungsgemässe Anordnung einer Wärmezuführeinrichtung, insbesondere einer Zusatzfeuerungseinrichtung, stromab der Gasturbogruppe ergeben, durch welche der Betrieb der nachgeordneten Druckspeicheranlage vom Betrieb der Gasturbogruppe weitgehend entkoppelt werden kann.

1: Gasturbogruppe
2: Druckspeicheranlage
3: Ladeeinrichtung für Druckspeicher
4: Wärmezuführeinrichtung, Nachfeuerungseinrichtung
5: Brennstoffmengen-Stellorgan
6: Brennstoffmengen-Stellorgan
7: Absperr- und/oder Drosselorgan
8: Temperaturmessstelle, für Abgastemperatur
9: Temperaturmessstelle, für Speicherfluidtemperatur stromab
: des Erhitzers und/oder am Eintritt in die
: Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine
10: Temperaturmessstelle, für Rauchgastemperatur stromauf eines
: Katalysators oder Katalysatortemperatur
11: Kupplung
12: Kupplung
13: Überströmleitung
14: Absperr- und/oder Drosselorgan
15: Speicherfluid-Zusatzerwärmungsvorrichtung, Wärmetauscher
16: externe Feuerung
17: Brennstoffmengen-Stellorgan
18: Nebenschlussleitung
19: Wegeventil
101: Verdichter
102: Brennkammer
103: Turbine
104: elektrische Maschine, Motor/Generator-Einheit, Generator
201: Speichervolumen
202: Wärmeübertragungsapparat
203: Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine,
: Speicherfluid-Entspannungsturbine
204: Generator
205: Katalysator
301: Verdichter
302: Kühler und Entfeuchter
303: Verdichter
304: Kühler und Entfeuchter
305: Antriebsmotor
306: Rückschlagorgan
P₁: Generatorleistung der Gasturbogruppe
P₂: Generatorleistung der Druckspeicheranlage

Claims

Kraftwerksanlage, umfassend eine Gasturbogruppe (1), einen Druckluftspeicher (201), und wenigstens eine Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203), wobei die Gasturbogruppe wenigstens einen Verdichter (101), wenigstens eine stromab des Verdichters angeordnete Brennkammer (102), sowie wenigstens eine stromab der Brennkammer angeordnete erste Turbine (103) aufweist, und in welcher Kraftwerksanlage stromab der ersten Turbine ein Wärmeübertragungsapparat (202) angeordnet ist, welcher primärseitig im Rauchgaspfad der Turbine angeordnet ist, und welcher sekundärseitig in einem von dem Druckluftspeicher (201) zu der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) führenden Speicherfluid-Strömungsweg angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe stromauf des Wärmeübertragungsapparates eine Wärmezuführeinrichtung, insbesondere eine Zusatzfeuerungseinrichtung (4), angeordnet ist.
Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe stromab des Wärmeübertragungsapparates (202) eine Temperaturmessstelle (8) zur Messung der Rauchgasaustrittstemperatur angeordnet ist, dass im Fluidströmungsweg zwischen dem Druckluftspeicher und der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine ein Absperr- und/oder Drosselorgan (7) angeordnet ist, und, dass ein Temperaturregler mit der Rauchgasaustrittstemperatur als Regelgrösse und der Stellung des Absperr- und/oder Drosselorgans als Stellgrösse beschaltet ist.
Kraftwerksanlage gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend Mittel (9) zur Bestimmung der Speicherfluid-Temperatur stromab des Wärmeübertragungsapparates oder am Austritt aus dem Wärmeübertragungsapparat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturregler mit der ermittelten Speicherfluid-Temperatur als Regelgrösse und mit der Stellung eines Brennstoffmassenstrom-Stellorgans (5) der Zusatzfeuerungseinrichtung (4) als Regelgrösse beschaltet ist.
Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsregler mit der elektrischen Leistung (P₂) des Generators (204) der Druckspeicheranlage als Regelgrösse und mit der Stellung eines Brennstoffmassenstrom-Stellorgans (5) der Zusatzfeuerungseinrichtung (4) als Stellgrösse beschaltet ist.
Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rauchgaspfad der Gasturbogruppe ein Rauchgasreinigungskatalysator (205) angeordnet ist.
Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchgasreinigungskatalysator stromab eines ersten Teils des primärseitigen Strömungsweges des Wärmeübertragungsapparates und stromauf eines zweiten Teils des primärseitigen Strömungsweges des Wärmeübertragungsapparates angeordnet ist.
Kraftwerksanlage gemäss einem der Ansprüche 5 oder 6, umfassend eine Temperaturmessstelle (10) zur Messung der Temperatur am Katalysatoreintritt und/oder der Katalysatortemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass im Fluidströmungsweg zwischen dem Druckluftspeicher (201) und der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) ein Absperr- und/oder Drosselorgan (7) angeordnet ist, und, dass ein Temperaturregler mit der gemessenen Temperatur als Regelgrösse und der Stellung des Absperr- und/oder Drosselorgans als Stellgrösse beschaltet ist.
Kraftwerksanlage gemäss einem der Ansprüche 5 oder 6, umfassend eine Temperaturmessstelle (10) zur Messung der Temperatur am Katalysatoreintritt und/oder der Katalysatortemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturregler mit dieser gemessenen Temperatur als Regelgrösse und der Stellung eines Brennstoffmassenstrom-Stellorgans (5) der Zusatzfeuerung (4) als Stellgrösse beschaltet ist.
Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicherfluid-Strömungsweg stromauf der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine und stromab des Wärmeübertragungsapparates eine Zusatz-Wärmezuführeinrichtung für das Speicherfluid angeordnet ist.
Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatz-Wärmezuführeinrichtung eine externe Feuerungseinrichtung (16) und einen Wärmetauscher (15) umfasst, und, dass ein Strömungsweg für das Rauchgas der externen Feuerungseinrichtung (16) durch den Wärmetauscher führt und stromab davon in den Rauchgaspfad der Gasturbogruppe mündet, derart, dass das Rauchgas der externen Feuerugseinrichtung zusammen mit dem Rauchgas der Gasturbogruppe den Wärmeübertragungsapparat (202) durchströmt.
Kraftwerksanlage gemäss einem der Ansprüche 9 oder 10, umfassend Mittel (9) zur Ermittlung der Temperatur des Speicherfluides am Eintritt in die Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203), dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturregler mit der ermittelten Speicherfluidtemperatur als Regelgrösse und mit der Stellung eines Brennstoffmengen-Stellorgans (17) der Zusatz-Wärmezuführeinrichtung als Stellgrösse beschaltet ist.
Kraftwerksanlage gemäss einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsregler mit der elektrischen Leistung (P₂) des Generators (204) der Druckspeicheranlage als Regelgrösse und mit der Stellung eines Brennstoffmassenstrom-Stellorgans (17) der Zusatz-Wärmezuführvorrichtung als Stellgrösse beschaltet ist.
Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitung (13) angeordnet ist, über welche Fluid vom Druckluftspeicher (201) zur Gasturbogruppe (1) leitbar ist, und welche Leitung stromab des Verdichters (101) und stromauf der Brennkammer (102) in der Gasturbogruppe mündet.
Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nebenschlussleitung (18) angeordnet ist, welche stromauf des Wärmeübertragungsapparates (202) aus dem Speicherfluid-Strömungsweg abzweigt und stromab des Wärmeübertragungsapparates (202) und stromauf der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) wieder im Speicherfluid-Strömungsweg mündet.
Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufladung des Druckluftspeichers Verdichter (301, 303) mit Verdichterantrieben (305) angeordnet sind, welche von der Gasturbogruppe (1) und der Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) vollkommen getrennt angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage, welches Verfahren umfasst: das Rauchgas einer Gasturbogruppe durch die Primärseite eines Wärmeübertragungsapparates (202) zu leiten; einen Speicherfluidmassenstrom aus einem Druckluftspeichervolumen (201) zu entnehmen, den Speicherfluidmassenstrom durch die Sekundärseite des Wärmeübertragungsapparates (202) zu leiten und im Wärmetausch mit dem Rauchgas zu erwärmen; den erwärmten Speicherfluidmassenstrom in wenigstens einer Speicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) zu entspannen; gekennzeichnet durch den weiteren Schritt, dem Rauchgas stromab der Gasturbogruppe (1) und stromauf des Wärmeübertragungsapparates (202) Wärme zuzuführen, insbesondere durch eine Zusatzfeuerung (4) im Rauchgaspfad.
Verfahren gemäss Anspruch 15, weiterhin umfassend, wenigstens eine der folgenden Temperaturen zu messen: die Speicherfluidtemperatur am Austritt aus dem Wärmeübertragungsapparat, die Rauchgastemperatur stromauf eines Katalysators; die Temperatur des Katalysators; die Rauchgastemperatur stromab des Wärmeübertragungsapparates; eine gemessene Temperatur als Regelgrösse für die Wärmezufuhr zum Rauchgas heranzuziehen; die Wärmezufuhr zum Rauchgas so zu regeln, dass die Regelgrösse auf einem Sollwert oder innerhalb eines Sollwertintervalles gehalten wird.
Verfahren gemäss Anspruch 15, weiterhin umfassend, wenigstens eine der folgenden Temperaturen zu messen: die Speicherfluidtemperatur am Austritt aus dem Wärmeübertragungsapparat, die Rauchgastemperatur stromauf eines Katalysators; die temperatur des Katalysators; die Rauchgastemperatur stromab des Wärmeübertragungsapparates; eine gemessene Temperatur als Regelgrösse für den aus dem Druckspeichervolumen entnommenen Massenstrom heranzuziehen; den aus dem Druckspeichervolumen entnommenen Massenstrom so zu regeln, dass die Regelgrösse auf einem Sollwert oder innerhalb eines Sollwertintervalles gehalten wird.