DE10258594A1

DE10258594A1 - Stromerzeugungsanlage mit Druckluftenergiesystem

Info

Publication number: DE10258594A1
Application number: DE10258594A
Authority: DE
Inventors: Ralf Gerdes
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2003-07-24
Also published as: US20030131599A1; US6745569B2

Abstract

Eine Stromerzeugungsanlage mit einem Druckluftenergiespeichersystem weist ein Druckreduziermittel auf, um den Druck der aus einer Druckluftspeicherkaverne entnommenen Luft zur Nutzung in einer Verbrennungsturbine zu reduzieren. Das Luftdruckreduziermittel weist mindestens eine Entspannungsturbine und Mittel zur Steuerung der Größenordnung der Druckreduktion auf. Des Weiteren ist die Entspannungsturbine auf einer Rotorwelle angeordnet, die einen Generator antreibt. Erfindungsgemäß verhindert das Druckreduziermittel Leistungsverluste und ermöglicht einen erhöhten Gesamtwirkungsgrad der Stromerzeugungsanlage.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsanlage, zu der eine Verbrennungsturbine und ein Druckluftenergiesystem (CAES-Compressed Air Energy System) mit einer Luftspeicherkaverne gehören, und insbesondere ein Druckreduziermittel für die aus der Speicherkaverne entnommene Luft.

Allgemeiner Stand der Technik

Eine typische Stromerzeugungsanlage mit einem Druckluftenergiespeichersystem (CAES) und einer Verbrennungs- sowie einer Luftturbine ist in Fig. 1 gezeigt. Bestandteile des Druckluftenergiespeichersystems sind eine unterirdische Kaverne 1, in der Luft gespeichert wird, die durch einen Verdichtersatz 2 auf einen Druck von etwa 60 bis 100 bar komprimiert wurde. Eine Speiseleitung 3 führt von der Kaverne 1 zu einem Drosselventil 4, das den Luftdruck auf etwa 60 bar verringert. Die Speiseleitung 2 führt dann zu einem Wärmetauscher oder Rekuperator 5, in dem die Luft vorgeheizt wird, und dann weiter zu einem Turbinensatz, bestehend aus einer Luftturbine 6, einer Standardgasturbine 7 und einem Generator G. In der Entspannungsluftturbine 6 entspannt sich die Luft und verlässt diese über den Turbinenaustritt mit einem Druck von etwa 15 bar. Weiter wird sie durch eine Brennkammer 8 geführt, bevor sie in die Standardgasturbine gelangt. Die Verbrennungsgase der Standardgasturbine 7 werden durch eine Brennkammer 9 im Strang geleitet und zum Vorheizen der Luft im Rekuperator 5 nach bekannten Verfahren genutzt. Am Austritt des Rekuperators beträgt der Abgasdruck etwa 1 bar.

Der Betrieb dieses Druckluftenergiespeichersystems für die Stromerzeugung ist nun aber mit Energieverlusten verbunden, die zu einem Verlust an Strom führen, der durch die Anlage hätte erzeugt werden können. Die Energieverluste treten beim Verringern des Drucks der Kavernenluft in Form von Wärme auf, die im Ventil 4 erzeugt wird. Bei der Luftdruckreduktion kommt es auch zu einem Verlust eines Teils der potentiellen Energie, die durch den Verdichtersatz 2 in das System eingebracht wurde, um die Luft bei Kavernendruck zu speichern. Solche Verluste könnten durch eine Herabsetzung des Kavernendrucks entweder durch eine Verringerung der in der Kaverne gespeicherten Luftmasse oder durch eine Vergrößerung des Kavernenvolumens verringert werden. Eine Verringerung der gespeicherten Luftmasse jedoch würde bei der Nutzung der gespeicherten Luft als Ergänzung der vom Verbrennungsturbinenverdichter zugeführten Luft zu einer Verkürzung der möglichen Anlagenbetriebszeit führen. Zudem ist eine Vergrößerung des Kavernenvolumens kaum eine ökonomisch vertretbare Lösung.

Ein Druckluftenergiespeichersystem kann auch in Stromerzeugungsanlagen mit einer Standardgasturbine und einem Verbrennungsturbinenverdichter installiert werden. Das Druckluftenergiespeichersystem dient der Ergänzung der Druckluft, die in der Regel der Verbrennungsturbinenverdichter liefert. Eine solche Gasturbine mit einer Zusatzdruckluftzufuhr wird in der Patentschrift WO 00/01934 offenbart. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 dieser Offenbarung gehören zu einer solchen Stromerzeugungsanlage eine Brennkammer C, eine Gasturbine 16, ein Verdichter 14 und ein Generator G, die an ein System 10 angeschlossen sind, über das während eines Spitzenleistungsbedarfs zusätzlich Luft zugeführt wird. Bestandteile des Luftversorgungssystems 10 sind eine Luftkaverne 28, ein Verdichtersatz 32 zum Komprimieren der zu speichernden Luft und Drosselventile 54, 55, 56, die den Druck der aus der Kaverne 28 entnommenen Luft reduzieren. Die Luft wird über einen Rekuperator 52 der Brennkammer C und der Gasturbine 16 zugeführt.

Der Druck der aus der Kaverne entnommenen Luft muss auf einen für die Brennkammer geeigneten Druck abgestimmt sein, der in der Regel im Bereich zwischen 10 und 20 bar liegt. Zu diesem Zweck wird der relativ hohe Luftdruck in der Kaverne von 60 bis 100 bar mit Hilfe des Ventils 54 gedrosselt. Das Drosseln verursacht jedoch einen Gesamtenergieverlust im Stromerzeugungssystem. Solche durch die Drosselung bedingten Verluste könnten mit Hilfe von Verfahren, wie sie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden, reduziert werden. Keines dieser Verfahren stellt jedoch eine ökonomisch vertretbare Lösung dar.

Für eine Stromerzeugungsanlage mit einem Druckluftenergiespeichersystem ist eine Reduktion des Luftdrucks bei der Entnahme aus der Speicherkaverne auf 10 bis 20 bar erforderlich, was ein für den Betrieb einer Verbrennungsturbine geeigneter Luftdruck ist. Beispielsweise treten unterschiedliche Luftdrücke in der Kaverne in dem Bereich von 60 bis 100 bar auf. Dieser Druckbereich ist bedeutend größer als der Druckbereich, mit dem man es in der Regel in einer Standard-Stromerzeugungsanlage zu tun hat. Bei einer Standard-Stromerzeugungsanlage mit Dampfturbine beispielsweise bleibt der Druck hinter dem Kessel innerhalb eines kleinen Bereichs, und die Dampfturbine ist für diesen bestimmten kleinen Druckbereich ausgelegt. Bei einer Standard-Stromerzeugungsanlage mit Gasturbine, die nur mit einem Verbrennungsturbinenverdichter ausgestattet ist, liegt der Druck der vom Verdichter komprimierten Luft in einem kleinen Bereich, der für den Betrieb der Verbrennungsturbine geeignet ist. Folglich können die Druckreduzieranordnungen, die für Standard-Dampf- und -Verbrennungsturbinensysteme Anwendung finden, nicht ohne Weiteres auf eine Stromerzeugungsanlage mit Druckluftspeicherung oder Zusatzluft, wie sie in der Darlegung des technischen Hintergrunds dieser Erfindung beschrieben wird, übertragen werden.

Darstellung der Erfindung

Angesichts des beschriebenen allgemeinen Stands der Technik besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Stromerzeugungsanlage zur Verfügung zu stellen, zu der ein Druckluftenergiespeichersystem mit einem Druckreduziermittel für die Luft gehört, die zur Nutzung in einer Turbine oder einem Turbinensatz aus einer Druckluftspeicherkaverne mit unterschiedlichem Druck entnommen wird. Insbesondere muss der Druck der entnommenen Luft auf ein für den Betrieb einer Verbrennungsturbine geeignetes Niveau verringert werden. Angesichts des beschriebenen allgemeinen Stands der Technik soll das Druckreduziermittel Energieverluste verhindern und einen erhöhten Wirkungsgrad der Stromerzeugungsanlage insgesamt gewährleisten.

Die Bestandteile einer Stromerzeugungsanlage sind ein Druckluftenergiesystem mit einer der Speicherung von Druckluft dienenden Kaverne, mindestens eine Verbrennungsturbine oder ein Turbinensatz mit mindestens einer Luftturbine und mindestens einer Verbrennungsturbine, die einen Generator auf einer Rotorwelle antreiben, sowie ein Druckreduziermittel für die Luft, die zur Nutzung in dem Turbinensatz oder der Verbrennungsturbine aus der Speicherkaverne entnommen wird.

Erfindungsgemäß gehört zum Druckreduziermittel für die aus der Speicherkaverne entnommene Luft mindestens eine Entspannungsturbine, die auf einer einen Generator antreibenden Rotorwelle angeordnet ist. Diese mindestens eine Entspannungsturbine ist zusätzlich zur Verbrennungsturbine oder zum Turbinensatz vorgesehen. Des Weiteren ist die Entspannungsturbine mit Mitteln zur Steuerung oder Regelung der Größenordnung der Druckreduktion ausgestattet.

Das Mittel zur Druckreduzierung durch eine Entspannungsturbine ermöglicht in erster Linie eine Druckverringerung in der Größenordnung (von einem Bereich von 100 bis 60 bar auf etwa 20 bar), wie sie bei einer Stromerzeugungsanlage mit einem Druckluftenergiespeichersystem oder einer Standardturbine erforderlich ist, die mit zusätzlicher, in einer Kaverne gespeicherter Druckluft betrieben wird. Die Stromerzeugungsanlage mit dieser Art der Druckreduktion weist gegenüber den Anlagen entsprechend dem Stand der Technik dahingehend Vorteile auf, dass sie die durch herkömmliche Drosselventile verursachten Energieverluste verhindert. Statt dessen treibt die Energie, die ansonsten im Verlaufe des Druckreduzierprozesses verloren geht, direkt den Generator an. Zudem gewährleistet das erfindungsgemäße Druckreduziersystem die Speicherung der gleichen Luftmasse bei gleichem Druck wie bei den Systemen entsprechend dem Stand der Technik. Dies wiederum ermöglicht einen Betrieb der Stromerzeugungsanlage mit Zufuhr von Druckluft aus der Kaverne über einen Zeitraum, der nicht durch eine Verringerung der Masse oder des Drucks der Luft in der Kaverne reduziert ist. Ferner kann eine Kaverne der gleichen Größe genutzt werden.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung gehören zu dem Druckreduziermittel für die Luft, die aus der Kaverne entnommen wird, mehrere zusätzliche Entspannungsturbinen, die vor dem Turbinensatz oder der mindestens einen Verbrennungsturbine angeordnet sind. Für den Anschluss jeder der Entspannungsturbinen an eine von der Luftkaverne kommende Speiseleitung sind mehrere Zuführungsleitungen vorgesehen, wobei jede Zuführungsleitung mit einem Ventil versehen ist. Eine Druckreduktion in unterschiedlichen Größenordnungen ist durch verschiedene Ventileinstellungen möglich, so beispielsweise durch eine Expansion in nur einer Entspannungsturbine, in mehreren oder in sämtlichen Entspannungsturbinen nacheinander.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gehört zum Druckreduziermittel eine einzige Entspannungsturbine mit mehreren zu dem Turbinensatz oder zum Verbrennungsturbinensatz führenden Entnahmeleitungen, wobei jede Entnahmeleitung mit einem Ventil versehen ist. Die mehreren Entnahmeleitungen mit einem Ventil ermöglichen eine Druckreduktion durch eine Entspannung in der gesamten Entspannungsturbine oder in einem Turbinenteilabschnitt unterschiedlicher Größe.

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung gehört zum Druckreduziermittel eine einzige Entspannungsturbine mit mehreren von einer Speiseleitung von Speicherkaverne zu verschiedenen Teilabschnitten der Turbine führenden Zuführungsleitungen, wobei jede Zuführungsleitung mit einem Ventil versehen ist. Der Grad der Luftentspannung und die Größenordnung der Druckreduktion können entsprechend der Einstellung des Ventils in jeder Zuführungsleitung verändert werden.

Die Druckreduziermittel gemäß den vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind bei einer ersten Variante auf der Rotorwelle der Verbrennungsturbine der Stromerzeugungsanlage angeordnet, wobei im Besonderen die Rotorwelle der einen oder mehrerer zusätzlicher Entspannungsturbinen wieder von der Rotorwelle der Verbrennungsturbine getrennt werden kann.

Bei einer zweiten Variante der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind die eine oder mehrere zusätzliche Entspannungsturbinen für die Druckreduktion auf der Rotorwelle der Verbrennungsturbine angeordnet, wobei im Besonderen die Rotorwelle der Entspannungsturbine ständig mit der Rotorwelle der Verbrennungsturbine gekoppelt ist.

Bei einer dritten Variante der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind die eine oder mehrere zusätzliche Entspannungsturbinen des Druckreduziersystems auf einer Rotorwelle angeordnet, die von der Rotorwelle der Verbrennungsturbine getrennt ist und einen zusätzlichen Generator antreibt.

Bei den verschiedenen oben genannten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Luft aus der Kaverne der Entspannungsturbine zugeleitet, in welchem Fall diese als eine Entspannungsluftturbine betrieben wird.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vor der zusätzlichen Entspannungsturbine eine Brennkammer angeordnet. Die Luft aus der Kaverne wird zunächst durch die Brennkammer geleitet und dann der Entspannungsturbine zugeführt, in welchem Fall diese als Verbrennungsturbine betrieben wird.

Bei noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Luft aus der Kaverne der Entspannungsturbine entweder direkt oder über einen Wärmetauscher beliebiger Art, wie einen Rekuperator, zugeführt. In beiden Fällen dient die Entspannungsturbine entweder als Entspannungsluftturbine oder als Verbrennungsturbine.

Die verschiedenen Ausführungsformen und Varianten der Erfindung sind in einer Stromerzeugungsanlage mit einem typischen Druckluftenergiespeichersystem einsetzbar, wo der Generator von einer Luftturbine und einer Verbrennungsturbine angetrieben wird.

Sie sind jedoch auch in einer Stromerzeugungsanlage einsetzbar, zu der eine Standardverbrennungsturbine mit einem Verbrennungsturbinenverdichter und ein Druckluftenergiespeichersystem gehören, das in Zeiten eines hohen Energiebedarfs zusätzliche Druckluft aus einer Speicherkaverne zur Verfügung stellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 bis 4 zeigen jeweils einen Schaltplan eines Druckluftenergiespeichersystems, das Teil einer Stromerzeugungsanlage ist, wobei Fig. 1 das Druckluftenergiespeichersystem mit einem Drosselventil entsprechend dem Stand der Technik,
Fig. 2 das Druckluftenergiespeichersystem mit mehreren zusätzlichen Entspannungsturbinen gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Fig. 3 das Druckluftenergiespeichersystem mit einer zusätzlichen Entspannungsluftturbine einschließlich mehrerer Entnahmeleitungen für die Druckreduktion in verschiedenen Größenordnungen gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform und
Fig. 4 das System mit einer zusätzlichen Entspannungsluftturbine einschließlich mehrerer Zuführungsleitungen für die Druckreduktion in verschiedenen Größenordnungen entsprechend der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform veranschaulichen.
Fig. 5 bis 7 zeigen jeweils eine Standardgasturbine mit Zusatzluftzufuhr einschließlich eines Druckreduziersystems für die aus einer Kaverne entnommene Luft und einer zusätzlichen Entspannungsluftturbine mit mehreren Entnahmeleitungen, wobei
Fig. 5 eine erste Variante der Erfindung veranschaulicht, bei der die Entspannungsluftturbine auf der gleichen Rotorwelle wie die Gasturbine angeordnet ist, wobei die Entspannungsluftturbine vom Rotor der Gasturbine trennbar ist,
Fig. 6 eine zweite Variante der Erfindung veranschaulicht, bei der die Entspannungsluftturbine permanent auf der Rotorwelle der Gasturbine angeordnet ist,
Fig. 7 eine dritte Variante der Erfindung veranschaulicht, bei der die Entspannungsluftturbine auf einer gesonderten Rotorwelle angeordnet ist, die einen zusätzlichen Generator antreibt.

Bevorzugte Arten der Durchführung der Erfindung

Fig. 1 wurde vorstehend im Zusammenhang mit dem allgemeinen Stand der Technik beschrieben.
Fig. 2 zeigt eine Stromerzeugungsanlage mit einem Druckluftenergiespeichersystem, zu dem ein Verdichtersatz 10 gehört, der Luft zur Speicherung in einer Kaverne 11 auf einen Druck von etwa 60 bis 100 bar komprimiert. In Zeiten hohen Energiebedarfs wird Luft aus der Kaverne 11 über die Speiseleitung 12 entnommen und durch einen Rekuperator bzw. Vorwärmer 13 geleitet. Hinter dem Rekuperator ist die Speiseleitung 13 bis 2u einem Turbinensatz mit drei Entspannungsluftturbinen 14, 15, 16 und einer Gasturbine 1 geführt. In die Leitung, die die letzte Luftentspannungsturbine 16 und die Gasturbine 17 miteinander verbindet, ist eine Brennkammer 18 geschaltet. Sämtliche Turbinen sind auf einer Rotorwelle 19 angeordnet, die einen Generator G antreibt. Jede Entspannungsluftturbine verfügt über eine Zuführungsleitung 14a, 15a, 16a mit einem Ventil 14b, 15b, 16b. Bei diesem Ventil handelt es sich im einfachsten Falle um ein Absperrventil. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um ein Steuermittel oder ein Ventil, das die Funktion sowohl eines Absperr- als auch eines Steuerventils erfüllt. Die Ventile 14b bis 16b sind in Abhängigkeit von dem Niveau des Kavernenluftdrucks und der erforderlichen Druckreduktion eingestellt. Im Falle eines hohen Kavernendrucks von 100 bar wird das Ventil 14b geöffnet, während die anderen Ventile geschlossen bleiben. Die Luft entspannt sich in der Entspannungsluftturbine 14, wo der Luftdruck am Austritt dieser Turbine ein Niveau von etwa 80 bar erreicht. In der Entspannungsluftturbine 15 nimmt die Luft am Austritt dieser Turbine einen Druck von etwa 60 bar an. Schließlich entspannt sie sich in Turbine 16 und hat am Austritt dieser Turbine einen Druck von etwa 15 bar.
Die bei der Druckreduktion in jeder Entspannungsluftturbine verbrauchte Energie wird zum Antrieb des Generators G genutzt.
Beträgt der mittlere Kavernendruck 80 bar, so wird das Ventil 15b geöffnet, während die anderen zwei Ventile geschlossen bleiben. Die Luft entspannt sich dann in den Turbinen 15 und 16, die beide zum Antrieb des Generators G beitragen.
Herrscht ein relativ niedriger Druck von 60 bar, so wird das Ventil 16b geöffnet, während die anderen zwei Ventile geschlossen bleiben, und die Druckluft entspannt sich nur in der Turbine 16, wodurch sie zum Antrieb der Rotorwelle beiträgt.
Anstelle von nur einem geöffneten Ventil können mehr als eines der Ventile gesteuert geöffnet werden. Diese Betriebsweise ist besonders für den Nennbetrieb der Turbinen geeignet. Sie eignet sich insbesondere für das Hochfahren und das Abschalten der Turbinen, um diese abkühlen zu lassen.
Durch die Entspannung der komprimierten Luft wird der Luftdruck auf ein Niveau herabgesenkt, das für den Betrieb der Gasturbine 17 geeignet ist. Über eine Leitung 20 wird die Luft vom Austritt der Entspannungsturbine 16 der Brennkammer 18 und danach der Gasturbine 17 zugeführt. Die Verbrennungsgase aus der Gasturbine werden durch eine weitere Zusatzbrennkammer 21 durch den Rekuperator 13 geführt und schließlich in einen Schornstein 22 geleitet.
Bei einer Variante dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist in jeder der Zuführungsleitungen 14a, 15a, 16a eine Brennkammer angeordnet. Die Entspannungsturbinen 14, 15, 16 werden dann als Verbrennungsturbinen betrieben.
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Stromerzeugungsanlage mit einem Druckluftenergiespeichersystem wie in Fig. 2. Die mit Fig. 2 übereinstimmenden Teile der Anlage erhalten in Fig. 3 die gleichen Bezugszahlen. Die komprimierte Luft aus der Kaverne 11 wird über die Speiseleitung 12 durch den Rekuperator 13 dem Eintritt einer Luftentspannungsturbine 30 mit drei Entnahmeleitungen 31a, 32a und 33a zugeführt, die jeweils mit einem Ventil 31b, 32b bzw. 33b versehen sind. Bei den Ventilen 31b bis 33b handelt es sich analog zu den Ventilen in Fig. 2 entweder um Absperrventile, Steuerventile oder kombinierte Absperr- und Steuerventile. Die Ventile in den Entnahmeleitungen werden abhängig vom Luftdruckniveau in der Kaverne geöffnet oder geschlossen, so dass sich die Luft in der Turbine entspannt und der Luftdruck auf etwa 15 bar reduziert wird, was für den Betrieb der Brennkammer 18 und der Gasturbine 17 geeignet ist. Durch die Luftentspannung treibt die Turbine die Rotorwelle 19 an und trägt zur Stromerzeugung bei. Bei einem hohen Luftdruck in der Kaverne von etwa 100 bar werden die Ventile 31a und 32a geschlossen und Ventil 33a geöffnet, um die größtmögliche Entspannung und Druckverringerung zu ermöglichen. Bei relativ niedrigem Luftdruck in der Kaverne von etwa 60 bar wird das Ventil 31a geöffnet, während die zwei anderen Ventile geschlossen werden. Bei einem mittleren Druck von etwa 80 bar wird das Ventil 32a geöffnet. In einer weiteren Betriebsart werden mehrere Ventile gesteuert geöffnet.
Bei einer Variante dieser Ausführungsform ist eine Brennkammer in der Speiseleitung 12 angeordnet, die zur Entspannungsturbine führt, die als Verbrennungsturbine, beispielsweise als Gasturbine, betrieben wird.
Fig. 4 zeigt eine ähnliche Stromerzeugungsanlage mit einem Druckluftenergiespeichersystem wie in den Fig. 2 und 3, wobei in diesen Figuren gleiche Teile einer Stromerzeugungsanlage mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet werden. Komprimierte Luft wird über die Speiseleitung 12 durch den Rekuperator 13 aus der Kaverne 11 entnommen. Von da aus wird sie dem Eintritt einer Luftentspannungsturbine 40 zugeführt, die die Rotorwelle 19 antreibt. Die Turbine 40 hat drei Zuführungsleitungen 41a, 42a und 43a, wobei jede mit einem Ventil 41b, 42b bzw. 43b versehen ist und es sich bei den Ventilen entweder um Absperrventile, Steuerventile oder kombinierte Absperr- und Steuerventile handelt. Die Ventile werden in Abhängigkeit von der benötigten Druckreduktion geöffnet oder geschlossen. Ist der Luftdruck in der Kaverne hoch und liegt bei etwa 100 bar, so wird das Ventil 41b in der Zuführungsleitung 41a geöffnet, und die Luft kann sich innerhalb der gesamten Luftentspannungsturbine entspannen. In ähnlicher Weise wie in Fig. 2 und 3 werden bei mittlerem oder relativ niedrigem Luftdruck in der Kaverne die Ventile 42a bzw. 43a geöffnet. In einer weiteren Betriebsart wird mehr als ein Ventil geöffnet. Die die Entspannungsluftturbine verlassende Luft wird der Brennkammer 18 und weiter der Gasturbine 17 zugeführt.
Bei einer Variante dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist in jeder der Speiseleitungen 41a, 42a und 43a eine Brennkammer angeordnet. Die Entspannungsturbine 40 wird dann als Verbrennungsturbine betrieben.
Es sind noch weitere Stromerzeugungsanlagen ähnlich denen, die in den Fig. 2 bis 4 gezeigt werden, denkbar, beispielsweise eine Anlage mit zwei Verbrennungsturbinen anstelle einer Entspannungsluftturbine und einer Verbrennungsturbine. Des Weiteren kann das Kraftwerk mit jeder beliebigen Art von Wärmetauscher anstelle des Rekuperators konstruiert werden. Eine weitere mögliche Ausführung enthält keinen Rekuperator oder Wärmetauscher.
Fig. 5 offenbart eine erste Variante der Anordnung einer Entspannungsluftturbine zur Luftdruckreduzierung im Hinblick auf die Rotorwelle der Verbrennungsturbine der Stromerzeugungsanlage. Zu der hier gezeigten Anlage gehören eine Standardgasturbine 50 und ein Gasturbinenverdichter 51, der Druckluft an eine Brennkammer 52 liefert. Zur Anlage gehört ein bekanntes Druckluftenergiespeichersystem, wie es beispielsweise in der Patentschrift WO 00/01934 offenbart ist, das einen Verdichtersatz 53 und eine Speicherkaverne 54 umfasst und das Gasturbinensystem mit zusätzlicher Druckluft versorgt. Die zusätzlich zur Gasturbine geleitete Druckluft wird über eine Entnahme- und Speiseleitung 55 einem Rekuperator 56 und einer Luftentspannungsturbine 57 zugeführt, die der in Fig. 3 gezeigten Art gleicht und mit mehreren Entnahmeleitungen 58 bis 60 versehen ist. Gemäß dieser ersten Variante ist die Entspannungsturbine 57 auf einer Rotorwelle 61a angeordnet, die mit der den Generator G antreibenden Rotorwelle 61b der Gasturbine 50 und des Verdichters 51 gekoppelt ist oder von ihr entkoppelt werden kann. Bei dieser Konzeption kann die Luftentspannungsturbine 57 von der Gasturbine entkoppelt werden, wenn keine zusätzliche Luft in das System eingespeist wird, wodurch die durch das Umlaufen der Turbine 57 verursachten Verluste minimiert werden. Anstelle der Luftentspannungsturbine 57 kann in dieser Anordnung ein Turbinensatz des Typs, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, oder eine Turbine des Typs, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, so angeordnet werden, dass er/sie mit der Rotorwelle 61a gekoppelt werden kann.
In Fig. 6 ist der gleiche Typ von Stromerzeugungsanlage mit einem System zur zusätzlichen Versorgung einer Gasturbine mit Druckluft gezeigt wie in Fig. 5. Die mit Fig. 5 übereinstimmenden Teile erhalten in Fig. 6 die gleichen Bezugszahlen. Gemäß dieser zweiten Variante der Erfindung ist die Luftentspannungsturbine 57 ständig mit der Rotorwelle 62 der Gasturbine 50 und des Verdichters 51 gekoppelt, die den Generator antreiben. Bei dieser Konzeption läuft die Luftentspannungsturbine 57 stets zusammen mit der Gasturbine um, auch wenn den Turbinen keine zusätzliche Druckluft zugeführt wird. Anstelle der Turbine 57 kann ein Turbinensatz gemäß Fig. 2 oder eine wie in Fig. 3 offenbarte Turbine so angeordnet werden, dass er/sie ständig mit der Rotorwelle 62 der Gasturbine 50 gekoppelt ist.
Fig. 7 zeigt den gleichen Typ von Stromerzeugungsanlage, wie er in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht wird, und eine dritte Variante der Anordnung der für die Luftdruckreduktion bestimmten Luftentspannungsturbine 57. Bei der gezeigten Konzeption sind die Verbrennungsturbine 50, der Verdichter 51 und ein erster Generator G1 auf einer ersten Rotorwelle 63 angeordnet. Die Entspannungsluftturbine 57 ist auf einer zweiten Rotorwelle 64 angeordnet, die einen zweiten Generator G2 antreibt. Diese Konzeption ermöglicht eine vollständige Trennung der Stromerzeugung mit der Gasturbine 50 von der Stromerzeugung mit der zusätzlichen Entspannungsluftturbine 57.

Claims

1. Stromerzeugungsanlage, die ein Druckluftenergiespeichersystem mit einer Kaverne zur Speicherung von Druckluft, mindestens eine Verbrennungsturbine oder ein Turbinensatz mit mindestens einer Luftturbine und mindestens einer Verbrennungsturbine, die auf einer einen Generator antreibenden Rotorwelle angeordnet sind, und ein Druckreduziermittel für die Luft aufweist, die zur Nutzung in der mindestens einen Verbrennungsturbine oder in dem Turbinensatz aus der Luftspeicherkaverne entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Entspannungsturbine, die auf einer einen Generator antreibenden Rotorwelle angeordnet ist, Bestandteil des Druckreduziermittels für die entnommene Luft ist.

2. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Druckreduziermittel für die entnommene Luft mehrere Entspannungsturbinen und Zuführungsleitungen gehören, die eine von der Luftspeicherkaverne kommende Speiseleitung mit jeder der mehreren Entspannungsturbinen verbinden, wobei jede Zuführungsleitung mit einem Ventil versehen ist.

3. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckreduziermittel für die entnommene Luft eine Entspannungsturbine mit mehreren Zuführungsleitungen aufweist, von denen jede eine von der Luftspeicherkaverne kommende Speiseleitung mit einem anderen Teilabschnitt der Entspannungsturbine verbindet und mit einem Ventil versehen ist.

4. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckreduziermittel für die entnommene Luft eine Entspannungsturbine mit mehreren Entnahmeleitungen aufweist, die jeweils verschiedene Teilabschnitte der Entspannungsluftturbine und des Turbinensatzes oder der mindestens einen Verbrennungsturbine verbinden und jeweils mit einem Ventil versehen sind.

5. Stromerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil entweder als Absperrventil, Steuerventil oder kombiniertes Absperr- und Steuerventil ausgebildet ist.

6. Stromerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Entspannungsturbine für die Druckreduktion der aus der Speicherkaverne entnommenen Luft auf einer Rotorwelle angeordnet ist, die mit der vom Turbinensatz oder von mindestens einer Verbrennungsturbine angetriebenen Rotorwelle gekoppelt werden kann.

7. Stromerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Entspannungsturbine für die Druckreduktion der aus der Speicherkaverne entnommenen Luft ständig mit der Rotorwelle des Turbinensatzes oder mindestens einer Verbrennungsturbine gekoppelt ist.

8. Stromerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Entspannungsturbine des Druckreduziersystems für die aus der Speicherkaverne entnommene Luft auf einer zusätzlichen Rotorwelle angeordnet ist, die einen zusätzlichen Generator antreibt.

9. Stromerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Entspannungsturbine eine Entspannungsluftturbine ist.

10. Stromerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsturbine eine Verbrennungsturbine mit einer vor der Verbrennungsturbine angeordneten Brennkammer ist.

11. Stromerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsturbine eine Gasturbine ist, die auf einer Rotorwelle mit einem Gasturbinenverdichter angeordnet ist, und die Gasturbine von dem Gasturbinenverdichter mit Druckluft gespeist wird, die durch Druckluft aus der Speicherkaverne ergänzt wird.

12. Stromerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stromerzeugungsanlage eine Luftturbine und eine mit Druckluft aus der Speicherkaverne gespeiste Gasturbine gehören.

13. Stromerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Luftspeicherkaverne und der Entspannungsturbine ein Wärmetauscher geschaltet ist.