DE1207712B - Gasturbinenkraftanlage mit Speicherung eines gasfoermigen Betriebsmittels - Google Patents

Description

• Gasturbinenkraftanlage mit Speicherung eines gasförinigen Betriebsmittels Kraftanlagen mit Gasturbinen sind bekannt, bei denen ein gasförmiges Betriebsmittel, wie Luft, in Zeiten geringen oder nicht vorhandenen Leistungsbedarfs nach vorangehender Verdichtung in Gasdruckspeichern, z. B. unter Tage, gespeichert wird, und bei denen beim Auftreten eines größeren Leistungsbedarfs an der Gasturbine das gespeicherte Gas als Betriebsmittel dem Druckspeicher entnommen und unter Wärmezufuhr mittels einer Brennkammer od. dgl. der Gasturbine zugeführt wird.
• Die Erfindung hat zur Aufgabe, bei derartigen Gasturbinenkraftanlagen eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit herbeizuführen.
• Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erzielt, daß die Druckspeicheranlage zusätzlich durch eine bei Gasturbinenanlagen bekannte Wärmespeicheranlage ergänzt wird, die einerseits beim Laden des Druckspeichers eine Speicherung der Wärme des dem Druckspeicher z. B. von einem Verdichter zugeführten Betriebsmittels und damit eine Herabsetzung der Temperatur des gespeicherten Betriebsmittels und andererseits bei Entladung des Druckspeichers eine Vorwärmung des aus dem Druckspeicher kommenden Betriebsmittels vor der Zuführung derselben zu der Gasturbinenanlage ermöglicht.
• Vorzugsweise kann der Erfindungsgedanke in der Weise verwirklicht werden, daß die Wärmespeicherung unter Verwendung von Wasser als Wärmespeicher durchgeführt wird. Dem zu dem Speicher geführten Warmgas wird dann in dem beispielsweise als Röhrenkessel ausgebildeten Wasserspeicher, der unter einem gewissen Druck gehalten wird, die Wärme entzogen, welche dem Speicherwasser zugeführt wird. Wird bei der Entladung des Druckspeichers durch Zuführung des Druckgases zu der Gasturbinenanlage das Druckgas in entgegengesetzter Richtung durch das kesselförmige Wärmespeichersystem geführt, so wird nunmehr durch die aufgespeicherte Wärme das Druckgas aufgeheizt, bevor es der Kraftanlage bzw. Brennkammer derselben zugeführt wird.
• Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine besonders günstige Ausbildung der Anlage erreicht werden, wenn in der Hochdruckleitung zu dem Druckspeicher ein besonderer Wärmetauscher angewendet wird, der mit einem gesonderten Heißwasserverdrängungsspeicher in Verbindung steht.
• Statt Wasser kann jedoch auch ein beliebiges anderes festes oder. bewegliches Wärmespeichermittel verwendet werden, beispielsweise eine Masse feinkömiger Wärmeträger aus Stahlsand, Aluminiumkörpern oder kleinen Partikeln aus einer keramischen Masse.
• Die Anordnung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Druckgasspeicherung unter verhältnismäßig niedriger Temperatur erfolgt. Dabei wird ein größerer Verbrauch von Kühlwasser, wie dies unter Umständen andernfalls erforderlich wäre, vermieden.
• Weitere Vorteile ergeben sich beim Anfahren. Die Wärmespeicherung erlaubt es nämlich, die Turbine kalt anzufahren, ohne daß die Gefahr der Vereisung gegeben ist.
• Ferner ist auch die einfache Leitungsführung der Anla-e hervorzuheben.
• Im folgenden soll die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
• Die F i g. 1 gibt das Schaltschema einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Anlage mit einem in der Speicherzuleitung angeordneten Warmwasserspeicher wieder.
• In der F i g. 2 ist eine Abwandlung gezeigt, bei welcher der kesselförinige Warmwasserspeicher durch einen in die Druckgaszuleitung zum Speicher eingeschalteten Wärmetauscher ersetzt ist, der mit einem gesonderten Verdrängerspeicher in Verbindung steht.
• Die F i g. 3 schließlich gibt eine abgeänderte Ausführung der Anlage wieder, bei der die Wärmespeicherung mittels Masseteilchenströmen erfolgt.
• In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bedeutet 1 ein Gasturbinenaggregat, das aus dem Hochdruckteil la, dem Niederdruckteil lb sowie der Hochdruckbrennkammer 2a und der Niederdruckkammer 2b besteht. Die Gasturbine dient zum Antrieb einer Synchronmaschine 3, welche die durch die Gasturbine erzeugte elektrische Energie an ein Ver-C brauchernetz N abgeben kann. Gleichzeitig dient jedoch die Synchronmaschine 3 in den Zeiten, in denen ein Betrieb der Gasturbine nicht erforderlich ist, dazu, nach Lösen der Kupplung 4 über die dann ein-eschalte#e Kupplung 5 das Verdichteraggregat 6 unter Entnahme der Antriebsenergie aus dem Netz N anzutreiben. Das Verdichterag-gregat 6, das aus einem Niederdruckteil 6a, einem Mitteldruckteil 6b und aus einem Hochdruckteil 6c nebst den Zwischenkühlern 7 und 7a besteht, dient dazu, z. B. die der Atmosphäre als Betriebsmittel für die Gasturbine entnommene Luft zu verdichten und einem Druckspeicher 10 zuzuführen. Ein Getriebe 11 verbindet das Verdichteraggregat 6 mit der Welle des Generators 3.
• In der Hochdruckverdichterleitung 12 zu dem Druckspeicher 10 ist gemäß der Erfindung ein Wärmespeicher 14 in Form eines Heißwasserkessels eingeschaltet. Eine Speiseleitung 13 führt Druckgas zu der Gasturbinenanlage 1, also zu der Brennkammer 2a. Zwischen dem Wärmespeicher 14 und der Leistung 13 und zwischen dem Wärinespeicher 14 und der Hochdruckverdichterleitung 12 sind zwei Umschaltventile 15 und 16 eingeschaltet, die gegenseitig so verriegelt sind, daß je nach dem Betriebsfall, also bei Ladung des Speichers durch den Verdichter 6 nur das Ventil 15, und bei Betrieb der Gasturbine nach Abschalten des Verdichters 6 nur das Ventil 16 geöffnet ist.
• Wie ersichtlich, ermöglicht es die Anlage beim Ladebetrieb, unter Abtrennung des Gasturbinenaggregates von dem Generator 3, den von dem Hochdruckverdichter 6c abgeleiteten Betriebsmittelstrom, der eine gewisse Temperatur, beispielsweisd von 200 bis 2501 C, aufweisen kann, durch den Wärmespeicher 14 hindurchzuführen, wodurch das verdichtete Betriebsmittel gekühlt wird und die vorher darin enthaltene Wärme in das flüssige Speichermittel des Wärmespeichers 14 übergeht. Beim Gasturbinenbetrieb wird der zuvor mit dem Verdichter 6 gekuppelte Generator 3 mit der Gasturbine 1 verbunden. Gleichzeitig werden die Ventile 15 und 16 umgesteuert, so daß das dem Speicher entnommene Betriebsmittel über den Wärinespeicher 14, das Ventil 16 und die Leituno, 13 der Brennkammer 2a zugeführt wird. Infolgedessen kann die dem Wärmespeicher 14 vor dem Laden des Speichers zugeführte Wärme wieder an das Betriebsmittel (Luft) abgegeben werden, bevor es in die Brennkammer 2 a eintritt.
• Bei der in der F i g. 2 der Zeichnung angedeuteten Abwandlung ist an Stelle eines Heißwasserkessels 14 in der Hochdruckleitung zu dem Druckspeicher 10 ein Wärmetauscher 14a vorhanden, der mit einem besonderen Heißwasserverdrängungsspeicher 17 in Verbindung steht. Eine Pumpe 18 wälzt das zur Wärmespeicherung dienende Wasser um, so daß während des Ladebetriebs Wärme an das Speichermittel übertragen wird. An den Verdrängungsspeicher 17 ist ein äußerer Verbraucher 19 angeschlossen. Während der Entladezeit wird das heiße Speichermittel aus dem Verdrängungsspeicher 17 durch den Wärmetauscher 14a geleitet, so daß das aus dem Druckspeicher 10 kommende kalte Betriebsmittel vorgewärmt wird.
• Die Anlage kann ohne weiteres derart abgeändert werden, daß die Gasturbine bei schwacher elektrischer Belastung des Generators den Kompressor zum Aufladen des Druckspeichers antreibt. Wie bereits angedeutet, kann statt einer Flüssigkeit für die Wärmespeicherung auch ein anderes Medium verwendet werden, z. B. eine Masse von feinkörnigen Masseteilchen aus Quarzsand, Stahlkörnem od. dgl. Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 ist in die Druckleitung 12 ein Masseteilchenwärmetauscher 20 eingeschaltet. Beim Ladebetrieb wird durch diesen Wärmetauscher 20 aus einem Kaltspeicher 21 ein Masseteilchenstrom niedriger Temperatur geleitet, der durch den warmen Luftstrom in dem Wärmetauscher 20 aufgeheizt und danach durch eine Fördereinrichtung 22 dem Wärmespeicher 23 für die aufgeheizten Masseteilchen zugeleitet wird. Bei Gasturbinenbetrieb wird durch das Ventil 24 der Masseteilchenstrom aus dem Kaltspeicher 21 unterbunden und über das geöffnete Ventil 25 aus dem Wärmespeicher 23 dem Austauscher 20 heiße Speichermasse zugeführt, die zur Aufheizung des von dem Druckspeicher 10 kommenden Betriebsmittels dient. über das geöffnete Ventil 16 und die Brennkammer 2a strömt das Betriebsmittel der Turbine 1 a zu. Nach ihrer Abkühlung wird die zum Aufheizen des Betriebsmittels dienende Speichermasse wieder selbsttätig durch eine Fördereinrichtung 26 in den Kaltspeicher 21 zurückgeführt.
• Schließlich kann die beschriebene Anordnung auch in der Weise abgeändert werden, daß die verdichtete Luft unmittelbar durch eine ruhende Speichermasse geleitet wird, an die sie beim Laden Wärme abgibt und von der sie beim Entladen des Druckspeichers Wärme entnimmt.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Gasturbinenanlage mit Speicherung eines gasförmiggen Betriebsmittels, wie Luft, in einem Druckspeicher, bei der beim Betrieb der Gasturbine das unterDruck aufgespeicherteBetriebsmittel dem Druckspeicher entnommen und vorzugsweise vor der Gasturbine auf eine höhere Temperatur aufgeheizt wird, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Druckspeicheranlage zusätzlich durch eine Wärmespeicheranlage ergänzt wird, die einerseits beim Laden des Druckspeichers (10) eine Speicherung der Wärme des dem Druckspeicher (10), z. B. von einem Verdichter, zugeführten Betriebsmittels und damit eine Herabsetzung der Temperatur des gespeicherten Betriebsmittels, andererseits bei Entladung des Druckspeichers (10) eine Vorwärmung des aus dem Druckspeicher (10) kommenden Betriebsmittels vor der Zuführung derselben zu der Gasturbinenanlage ermöglicht.
2. 2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärinespeicherung in der Speicherleitung (12) ein Wärmespeicher in Form eines Heißwasserkessels (14) vorhanden ist. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmespeicherung in der Speicherleitung (12) ein Wärmeaustauscher (14 a) eingeschaltet ist, der mit einem Heißwasser-Verdrängungsspeicher (17) in Verbindung steht und der beim Laden des Druckspeichers (10) Wärme aus dem Betriebsmittel in eine dem Heißwasser-Verdrängungsspeicher (17) zugeführte Wassermenge überträgt, und daß bei dem Entladen des Druckspeichers (10) das von dem Heißwasser-Verdrängungsspeicher (17) entnommene Heißwasser eine Aufheizung des Betriebsmittels vor dem Eintritt in die Gasturbinenanlage ermöglicht. 4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärinespeicherung eine fließfähige Masse feinkörniger Teilchen vorhanden ist, die im kalten und im warmen Zustand in gesonderten Wärmespeichern (21 und 23) enthalten ist und durch einen Wärmetauscher (20) geführt wird, der von dem Betriebsmittel bei dem Laden und bei dem Entladen des Druckspeichers (10) durchströmt wird. 5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Betriebsmittel unmittelbar durch eine ruhende Wärmespeichermasse geleitet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1040 320; Zeitschrift »Energie«, 1959, Heft 4, S. 118 bis 124.