CH696979A5

CH696979A5 - Kraftwerksanlage.

Info

Publication number: CH696979A5
Application number: CH01884/03A
Authority: CH
Inventors: Dr Rolf Althaus
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2008-02-29

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.

Stand der Technik

Luftspeicherkraftwerke sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Beim Betrieb von Luftspeicherkraftwerken 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 Druckspeicherfluid-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 Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine vermieden werden, und die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine 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 bekannt geworden, 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 Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine strömen. Damit bestehen aber keine nennenswerten Potenziale mehr, unabhängig von der Leistung der Gasturbogruppe die Leistung der Druckspeicherfluid-Entspannungsturbine zu erhöhen; eine weitere unabhängige Leistungserhöhung der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine ohne Leistungsveränderung der Gasturbogruppe erfordert einen erhöhten Entnahmemassenstrom aus dem Speicher, verbunden mit einer sinkenden Eintrittstemperatur der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine und damit einer schlechten Ausnutzung des gespeicherten Fluides aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden massenspezifischen Enthalpiegefälles.

Weiterhin ist die Temperatur des Speicherfluides beim Eintritt in die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine durch die Rauchgastemperatur der Gasturbogruppe nach oben begrenzt. Daraus resultiert insbesondere im Teillastbetrieb der Gasturbogruppe eine schlechte Ausnutzung des gespeicherten Fluidinhalts. Zudem kann die Speicheranlage nur dann mit effizienter Speicherausnutzung betrieben werden, wenn die Gasturbogruppe in Betrieb ist.

Darstellung der Erfindung

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

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe unter Verwendung der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, stromauf der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine eine Wärmezuführeinrichtung für das Speicherfluid anzuordnen, mittels welchem dem Speicherfluid vorgängig der Entspannung unabhängig von der Rauchgaswärme der Gasturbogruppe Wärme zugeführt werden kann. Damit ist es insbesondere möglich, die Temperatur des Speicherfluides beim Eintritt in die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine unabhängig von der Rauchgastemperatur und damit unabhängig vom Betriebszustand der Gasturbogruppe einzustellen. Bevorzugt ist die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung stromab des sekundärseitigen Strömungswegs des Wärmeübertragungsapparates angeordnet, also strömungsmässig zwischen dem Wärmeübertragungsapparat, der als Abgaswärmetauscher der Gasturbogruppe wirkt, und der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine. In einer Ausführungsform ist die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine als Turbine ausgeführt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung ein Wärmetauscher mit einer externen Feuerung. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine nicht mit Rauchgasen aus der Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung beaufschlagt wird. Dies ermöglicht es, eine Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine zu verwenden, welche an sich keine rauchgasbeständigen Komponenten aufweist; es ist beispielsweise möglich, eine Dampfturbine einer geeigneten Leistungsklasse mit geringsten Modifikationen einzusetzen. Dies hält die Investitionskosten niedrig. Zu beachten ist hierbei allerdings, dass das in der externen Feuerung bereitgestellte thermische Potential in dem Wärmetauscher nur bis hinunter zur Temperatur des aus dem Wärmeübertragungsapparat zuströmenden Speicherfluids möglich ist. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist es daher wünschenswert, die Rauchgaswärme des aus dem Wärmetauscher abströmenden Rauchgases der externen Feuerung weiter auszunutzen. Aus diesem Grunde wird das aus dem Wärmetauscher abströmende Rauchgas bevorzugt an geeigneter Stelle in den primärseitigen Strömungsweg des Abgaswärmetauschers eingeleitet und durchströmt diesen zusammen mit dem Rauchgas der Gasturbogruppe, wobei die Restwärme innerhalb des Wärmeübertragungsapparates auf das Speicherfluid übertragen wird. Das Rauchgas der Zusatzfeuerung wird unmittelbar in den primärseitigen Strömungsweg des Wärmeübertragungsapparates eingeleitet, oder, was meist einfacher zu realisieren ist, stromauf des Wärmeübertragungsapparates in den Rauchgaspfad der Gasturbogruppe eingeleitet. In einer zweiten Ausführungsform ist die Wärmezuführeinrichtung im Grunde eine in den Speicherfluid-Strömungsweg integrierte Brennkammer, welche im Wesentlichen Mittel zur Zufuhr von Brennstoff zur Speicherfluidströmung und Mittel zur Stabilisierung einer Flamme in der Speicherfluidströmung umfasst.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Kraftwerksanlage eine Nebenschlussleitung für das Speicherfluid, über welche das Speicherfluid vom Druckspeicher unter Umgehung des Abgaswärmetauschers zur Entspannungskraftmaschine geleitet werden kann. Dabei ist ein Stellorgan, beispielsweise ein 3/2-Wege-Ventil, angeordnet, über welches die Strömung wahlweise durch den Abgaswärmetauscher der Gasturbogruppe oder die Nebenschlussleitung leitbar ist. Die Nebenschlussleitung ist mit Vorteil stromauf der Wärmezuführeinrichtung wieder mit dem über den Wärmeübertragungsapparat, Abgaswärmetauscher, führenden Speicherfluid-Strömungsweg zusammengeführt. Diese Anordnung ermöglicht es, beispielsweise bei einem Ausfall der Gasturbogruppe die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine weiter effizient zu betreiben.

In einer vorteilhaften Betriebsweise der erfindungsgemässen Kraftwerksanlage wird auf geeignete Weise, direkt oder indirekt, die Temperatur des Speicherfluides stromab der Wärmezuführeinrichtung bestimmt. Dies kann unmittelbar durch eine Messung der Gastemperatur erfolgen, insbesondere, sofern keine gekühlten Wände in der Umgebung der Temperaturmessstelle angeordnet sind. Bekannt ist es weiterhin aus dem Gasturbinenbau, die Zuströmtemperatur zur Kraftmaschine aus der Fluidtemperatur stromab der Kraftmaschine und dem Druckverhältnis über die Kraftmaschine zu berechnen. Ebenso kann eine Materialtemperatur beispielsweise an einem Zuströmflansch der Kraftmaschine zur indirekten Bestimmung dieser Temperatur herangezogen werden. Die Ausgestaltung dieser Temperaturbestimmung ist dabei nicht erfindungsrelevant. Mit Vorteil wird diese Temperatur geregelt, damit einerseits eine maximale Ausnutzung des gespeicherten Fluids gewährleistet ist, und andererseits eine thermische Überlastung der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine unterbunden wird. Die Regelung erfolgt gemäss einer Ausführungsform der Erfindung durch Eingriffe auf die Brennstoffzufuhr zu der Wärmezuführeinrichtung. Die Regelung kann dabei als kontinuierliche Regelung oder als diskontinuierliche Regelung ausgestaltet sein oder auch als Grenzregelung, welche das Überschreiten eines zulässigen Maximalwertes unterbindet. Wenn die ermittelte Temperatur den Sollwert oder einen oberen Grenzwert überschreitet, wird die Brennstoffzufuhr durch Drosseln eines Brennstoffmengen-Stellorgans vermindert. Wenn die ermittelte Temperatur den Sollwert oder einen unteren Grenzwert unterschreitet, wird die Brennstoffzufuhr durch Öffnen eines Brennstoffmengen-Stellorgans erhöht. Dazu ist ein Temperaturregler angeordnet, der mit der ermittelten zu regelnden Temperatur als Regelgrösse und mit der Stellung eines Brennstoffmengen-Stellorgans der Speicherfluid-Wärmezuführvorrichtung als Stellgrösse beschaltet ist.

In einer Ausgestaltung 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 herangezogen, welcher durch Eingriffe auf das Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan den Fluidmassenstrom derart 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. Es ist in jedem Falle von Vorteil, die Abgastemperatur stromab des Wärmeübertragungsapparates zu bestimmen und diese in eine Sicherheitslogik der Anlagensteuerung mit einfliessen zu lassen und 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 deg. C bis 300 deg. C oder 350 deg. C, in Abhängigkeit vom Katalysatormaterial auch höher. Im Allgemeinen darf der Katalysator daher keinesfalls unmittelbar von der Gasturbogruppe aus mit Rauchgas angeströmt werden. Daher wird der Katalysator 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 Ausführungsform wird der Katalysator an einer Stelle des Wärmeübertragungsapparates stromab eines ersten Teils des Wärmeübertragungsapparates und stromauf eines 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 Weiterbildung 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 Druckfluidspeicher entnommene Speicherfluid-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, oder auch im Sinne einer Grenzregelung so geregelt wird, dass das Überschreiten einer zulässigen Maximaltemperatur vermieden wird. Hierzu umfasst die Kraftwerksanlage einen Temperaturregler, welcher mit der Katalysatortemperatur als Regelgrösse und der Stellung des Speicherfluidmassenstrom-Stellorgans als Stellgrösse beschaltet ist. 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 anderen Weiterbildung der Erfindung ist im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe stromauf des Wärmeübertragungsapparates eine Zusatzfeuerungseinrichtung angeordnet. Die Stellung eines Brennstoffmassenstrom-Stellorgans dieser Zusatzfeuerungseinrichtung kann mit Vorteil als Stellgrösse für die Regelung der Katalysatortemperatur herangezogen werden.

Die erfindungsgemässe Kraftwerksanlage ist ganz besonders auch zur Bereitstellung einer Notstromversorgung geeignet. Weiterhin weist die erfindungsgemässe Kraftwerksanlage hervorragende Eigenschaften zum Anfahren in einem stromlosen Elektrizitätsnetz auf. Zur Bereitstellung einer notfallmässigen Stromversorgung genügt es, Speicherfluid aus dem Druckfluidspeicher ohne weitere Erhitzung, also vollkommen ohne den Betrieb der vorgeschalteten Gasturbogruppe, zur Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine zu leiten. Bereits die Entspannung eines kalten Speichertfuidmassenstroms kann genutzt werden, um eine begrenzte elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. Diese notfallmässige Elektrizitätsproduktion kann besonders zuverlässig sichergestellt werden, wenn die Kraftwerksanlage im Strömungsweg des Druckspeichermediums die beschriebene Nebenschlussleitung aufweist, die es erlaubt, Speicherfluid unter Umgehung des Wärmeübertragungsapparates vom Druckfluidspeicher zur Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine zu leiten. Dies spart gegebenenfalls die Druckverluste des Wärmeübertragungsapparates; andererseits kann die Entspannungsfunktion auch dann genutzt werden, wenn ein Schaden des Wärmeübertragungsapparates vorliegt. Mit Vorteil wird das Speicherfluid in der Speicherfluid-Wärmezuführvorrichtung vorgängig der Entspannung erhitzt. Daneben kann die Kraftwerksanlage auch in ganz besonders vorteilhafter Weise in einem stromlosen Elektrizitätsnetz angefahren werden. Hierzu wird zunächst das Drosselorgan, über welches der Massenstrom des Speichrfluides einstellbar ist, gesteuert geöffnet. Damit wird die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine angefahren und deren Drehzahl so erhöht, dass die vom angetriebenen Generator erzeugbare Leistung zum Anfahren der Gasturbogruppe genügt. Sodann kann der Generator der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine auf eine Startvorrichtung der Gasturbogruppe aufgeschaltet werden. Die von der Druckspeicheranlage erzeugte elektrische Energie wird also genutzt, um die Gasturbogruppe anzufahren, indem zum Beispiel deren Generator elektromotorisch betrieben wird, um die Drehzahl der Gasturbogruppe auf ein zum Zünden erforderliches Niveau zu beschleunigen. Danach benötigt die Gasturbogruppe eine tendenziell niedrigere elektrische Beschleunigungsleistung und ist noch unterhalb der Nenndrehzahl in der Lage, ohne elektrische Starthilfe auf Nenndrehzahl zu beschleunigen und in den Generatorbetrieb zu wechseln. Auf diese Weise kann eine Kraftwerksanlage, welche eine Gasturbogruppe und eine Druckspeicheranlage umfasst, in einem stromlosen Elektrizitätsnetz ohne äussere Energiezufuhr und ohne kapitalintensive Nebenaggregate wie Starterbatterien mit hoher Kapazität oder grosse Schwarzstartdiesel angefahren werden. Die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine kann, da sie nur mit moderaten Temperaturen beaufschlagt wird, sehr schnell belastet werden und ist sehr schnell in der Lage, Leistung in ein Elektrizitätsnetz abzugeben. Bei dem beschriebenen Startverfahren wird die Druckspeicheranlage daher mit einem höchstmöglichen Leistungsgradienten belastet und kann daher im Extremfall bereits ihre volle Leistung ins Netz abgeben, bevor die Gasturbogruppe überhaupt synchronisiert ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen einer erfindungsgemässen Kraftwerksanlage.

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 Fig. 1 dargestellt. Die Kraftwerksanlage umfasst eine Gasturbogruppe 1, eine Druckspeicheranlage 2 sowie eine Ladeeinheit für Druckfluidspeicher 3. Die schematisch dargestellte Gasturbogruppe 1 umfasst einen Verdichter 101, eine Brennkammer 102, eine Turbine 103 sowie einen Generator 104. Der Generator 104 kann häufig auch als Startvorrichtung für die Gasturbogruppe 1 motorisch betrieben werden. Die Gasturbogruppe 1 ist eine beliebige Gasturbogruppe 1, wie sie am Markt erhältlich ist, was auch die Möglichkeit mehrwelliger Installationen oder von Gasturbogruppen 1 mit sequentieller Verbrennung, also mit zwei strömungsmässig in Serie geschalteten Turbinen 103 und einer dazwischen angeordneten Brennkammer 102 einschliesst. Eine solche Gasturbogruppe 1 ist aus EP 620 362 bekannt geworden. Ebenso kann auch ein Getriebe zwischen der Abtriebswelle der Gasturbogruppe 1 und dem Generator 104 angeordnet sein; die dargestellte Bauart der Gasturbogruppe 1 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 103 treibt den Verdichter 101 sowie den Generator 104 an. Der Generator 104 erzeugt eine Nutzleistung P1, welche erfasst und zur Leistungsregelung der Gasturbogruppe 1 herangezogen wird, was sehr vereinfacht dargestellt ist. Wenn die Leistung als Regelgrösse sinkt, wird das Brennstoffmengen-Stellorgan 6 geschlossen. 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 Druckspeicheranlage 2, deren Kernelemente der Druckfluidspeicher 201 und die Druckspeicherfluid-Entspannungkraftmaschine 203, welche hier eine Druckspeicherfluid-Entspannungsturbine ist, darstellen. Als Druckspeicherfluid-Entspannungsturbine 203 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 deg. C bis 650 deg. C. Der Druckfluidspeicher 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 den Druckfluidspeicher 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 Druckspeicherfluid aus dem Druckspeicher 201 zur Druckspeicherfluid-Entspannungsturbine 203. Aus dem Druckfluidspeicher 201 abströmendes Fluid wird in der Turbine 203 unter Abgabe von Leistung entspannt, die zum Antrieb eines Generators 204 dient. Da die Temperatur des im Druckfluidspeicher 201 gespeicherten Fluides niedrig ist, ist die massenstrom-spezifische Leistungsabgabe der Druckspeicherfluid-Entspannungsturbine 203 zunächst sehr gering, was in einer extrem schlechten Ausnutzung des Speichervolumens resultiert. Daher ist im Strömungsweg zwischen dem Druckfluidspeicher 201 und der Turbine 203 ein Wärmeübertragungsapparat 202 angeordnet, über den vorgängig der Entspannung in der Druckspeicherfluid-Entspannungsturbine 203 Wärme auf das Speicherfluid übertragen werden kann. Der Wärmeübertragungsapparat 202 ist im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe 1 angeordnet und wird primärseitig vom Rauchgas der Gasturbogruppe 1 durchströmt, während der Wärmeübertragungsapparat 202 sekundärseitig im Gegenstrom zum Rauchgas von dem gespannten Speicherfluid aus dem Druckfluidspeicher 201 durchströmt wird. Beim Durchströmen des Wärmeübertragungsapparates 202 wird also das aus dem Druckfluidspeicher 201 abströmende Fluid unter Nutzung der Abwärme der Gasturbogruppe erwärmt, wohingegen die Rauchgase sich abkühlen. Eine beste Abwärmenutzung stellt sich ein, wenn die Rauchgase so weit 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 202 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 202 öffnet das Drosselorgan 7, wodurch der sekundärseitige Massenstrom des Wärmeübertragungsapparates 202 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. Stromab des Wärmeübertragungsapparates 202 ist 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 Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine 203. Die Rauchgase der externen Feuerungseinrichtung 16 werden nach Durchströmen des Wärmetauschers 15 stromauf des Wärmeübertragungsapparates 202 in die Rauchgasströmung der Gasturbogruppe 1 eingeleitet, um die thermische Energie der Rauchgase im Wärmeübertragungsapparat 202 weiter zu nutzen. Im Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffzufuhr zu der externen Feuerung 16 mittels Eingriffen auf das Brennstoffmengen-Stellorgan 17 auf eine Konstanthaltung der Eintrittstemperatur der Druckspeicherfluid-Entspannungsturbine 203 geregelt.

Die Ausführungsform gemäss Fig. 2 weist im Weiteren einen innerhalb des Wärmeübertragungsapparates 202 angeordneten Rauchgasreinigungskatalysator 205 und eine Nebenschlussleitung 18 für das Speicherfluid zum Umgehen des Wärmeübertragungsapparates 202 auf. Der Katalysator 205 ist aus den oben beschriebenen Gründen an einer geeigneten Stelle innerhalb des Wärmeübertragungsapparates 202 angeordnet. Mittels einer Messstelle 10 wird die Temperatur des dem Katalysator 205 zuströmenden Rauchgases gemessen und durch Eingriffe auf das Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan 7 geregelt. Wenn die Temperatur einen Sollwert oder einen oberen Grenzwert überschreitet, wird das Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan 7 geöffnet. Aufgrund des grösseren sekundärseitigen Massenstroms im Wärmeübertragungsapparat 202 sinkt die Rauchgastemperatur am Katalysatoreintritt. Wenn die Temperatur einen Sollwert oder einen unteren Grenzwert unterschreitet, wird das Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan 7 ein Stück geschlossen. Aufgrund des kleineren sekundärseitigen Massenstroms im Wärmeübertragungsapparat 202 steigt die Rauchgastemperatur am Katalysatoreintritt. Weiterhin wird die Temperatur des Rauchgases stromab des Wärmeübertragungsapparates 202 überwacht; wenn hier ein Mindestabstand zum Taupunkt unterschritten wird, werden entsprechende Aktionen eingeleitet, indem beispielsweise der Speicherfluid-Massenstrom vermindert wird. Das Speicherfluid kann mittels des Wegeventils 19 wahlweise durch den Wärmeübertragungsapparat 202 oder über die Nebenschlussleitung 18 geleitet werden.

Die Ausführungsform gemäss Fig. 3 weist darüber hinaus eine stromauf des Wärmeübertragungsapparates 202 im Rauchgasströmungsweg der Gasturbogruppe 1 angeordnete Zusatzfeuerungseinrichtung 4 auf, mit welcher die Temperatur des Rauchgases am primärseitigen Eintritt des Wärmeübertragungsapparates 202 unabhängig vom Betriebspunkt der Gasturbogruppe 1 variiert werden kann. In der dargestellten Ausführungsform wird diese Feuerung herangezogen, um die Temperatur des Katalysators 205 zu optimieren. Wenn die mit der Messstelle 10 ermittelte Temperatur einen Sollwert oder einen oberen Grenzwert überschreitet, wird das Brennstoffmassenstrom-Stellorgan 5 für die Zusatzfeuerungseinrichtung 4 stärker angedrosselt. Die Feuerungsleistung und damit die Temperatur des Rauchgases sinkt. Wenn die mit der Messstelle 10 ermittelte Temperatur einen Sollwert oder einen unteren Grenzwert unterschreitet, wird das Brennstoffmassenstrom-Stellorgan 5 für die Zusatzfeuerungseinrichtung 4 weiter geöffnet. Die Feuerungsleistung und damit die Temperatur des Rauchgases steigt. Die Rauchgastemperatur am Austritt aus dem Wärmeübertragungsapparat 202 wird, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, durch Eingriffe auf das Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan 7 geregelt. Die Temperatur des Speicherfluids am Eintritt in die Druckspeicherfluid-Entspannungsturbine 203 wird durch Eingriffe auf das Brennstoffmassenstrom-Stellorgan 17 der externen Feuerungseinrichtung 16 geregelt. Auf diese Weise lassen sich alle für den Betrieb wesentlichen Prozesstemperaturen aufs Vorteilhafteste unabhängig voneinander regeln.

Die Ausführungsform gemäss Fig. 4 zeichnet sich gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform dadurch aus, dass die Speicherfluid-Wärmezuführvorrichtung als Brennkammer 20 ausgeführt ist, in welcher ein Brennstoff unmittelbar im Speicherfluid verbrannt wird. In der Folge wird natürlich die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine 203 mit Rauchgas beaufschlagt. Das heisst, es müssen Vorkehrungen getroffen werden, um eine hinreichende Beständigkeit der Komponenten der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine gegen korrosive Heissgasangriffe zu gewährleisten. Mit Vorteil können bei dieser Ausführungsform die Brennkammer und die Turbine einer Gasturbogruppe Verwendung finden. Weiterhin ist in der Fig. 4 eine explizite Leistungsregelung der Druckspeicheranlage 2 dargestellt, bei der die elektrische Leistung P2 des von der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine 203 angetriebenen Generators 204 durch Eingriffe auf den Brennstoffmassenstrom zur Brennkammer 20 geregelt wird. Gleichzeitig wird auf geeignete Weise direkt oder vorliegend bevorzugt indirekt die Temperatur des Speicherfluids beim Eintritt in die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine 203 bestimmt, und diese wird im Sinne einer Grenzregelung auf einen oberen Grenzwert begrenzt, indem bei Überschreiten des Grenzwertes die Öffnung des Brennstoffmengen-Stellorgans 17 für die Brennkammer 20 begrenzt wird.

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 im Rahmen der Patentansprüche nahezu beliebig untereinander kombiniert werden. Die unterschiedlichen beschriebenen Regelungsmechanismen können in einer einzigen Anlage im Rahmen der Patentansprüche miteinander kombiniert werden, und es kann zwischen den unterschiedlichen Betriebs- und Regelungsmodi gewechselt werden, auch während des Betriebes.

Bezugszeichenliste

1 : Gasturbogruppe 2 : Druckspeicheranlage 3 : Ladeeinrichtung für Druckfluidspeicher 4 : Wärmezuführeinrichtung, Nachfeuerungseinrichtung 5 : Brennstoffmengen-Stellorgan 6 : Brennstoffmengen-Stellorgan 7 : Absperr- und/oder Drosselorgan Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan 8 : Temperaturmessstelle, für Abgastemperatur 9 : Temperaturmessstelle, für Speicherfluidtemperatur stromab des Erhitzers und/oder am Eintritt in die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine 10 : Temperaturmessstelle, für Rauchgastemperatur stromauf eines Katalysators oder Katalysatortemperatur 15 :Speicherfluid-Zusatzerwärmungsvorrichtung, Wärmetauscher, Wärmezufuhreinheit 16 : externe Feuerung 17 : Brennstoff mengen-Stellorgan 18 : Nebenschlussleitung 19 : Wegeventil 20 : Speicherfluid-Zusatzerwärmungsvorrichtung, Speicherfluid-Zusatzfeuerungseinrichtung 101 : Verdichter 102 : Brennkammer 103 : Turbine 104 : Generator 201 : Druckfluidspeicher 202 : Wärmeübertragungsapparat 203 : Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine 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

1. Kraftwerksanlage, umfassend eine Gasturbogruppe (1), einen Druckfluidspeicher (201) und wenigstens eine Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203), wobei die Gasturbogruppe (1) wenigstens einen Verdichter (101), wenigstens eine stromab des Verdichters (101) angeordnete Brennkammer (102) sowie wenigstens eine stromab der Brennkammer (102) angeordnete Turbine (103) aufweist, und in welcher Kraftwerksanlage stromab der Turbine (103) ein Wärmeübertragungsapparat (202) angeordnet ist, mit einem primärseitigen Strömungsweg, der im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe (1) angeordnet ist, und mit einem sekundärseitigen Strömungsweg, der in einem von dem Druckfluidspeicher (201) zu der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) führenden Speicherfluid-Strömungsweg angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicherfluid-Strömungsweg stromauf der Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) eine Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung (15, 20) angeordnet ist.

2. Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung (15, 20) stromab des sekundärseitigen Strömungsweges des Wärmeübertragungsapparates (202) angeordnet ist.

3. Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung einen Wärmeübertrager (15) mit einer externen Feuerungseinrichtung (16) mit einem Rauchgaspfad umfasst.

4. Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchgaspfad der Feuerungseinrichtung (16) durch den Wärmeübertrager (15) führt und in den Rauchgaspfad der Gasturbogruppe (1) mündet.

5. Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchgaspfad der Feuerungseinrichtung (16) durch den Wärmeübertrager (15) führt und stromauf des Wärmeübertragungsapparates (202) in den Rauchgaspfad der Gasturbogruppe (1) mündet.

6. Kraftwerksanlage gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung (20) Mittel zur Zufuhr eines Brennstoffmassenstroms zum Speicherfluid und zur Verbrennung des Brennstoffs in der Speicherfluidströmung umfasst.

7. Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Nebenschlussleitung (18) umfasst, über welche der Speicherfluidmassenstrom unter Umgehung des Wärmeübertragungsapparates (202) zur Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) leitbar ist.

8. Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenschlussleitung (18) stromauf der Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung in den durch den Wärmeübertragungsapparat (202) führenden Speicherfluid-Strömungsweg mündet.

9. Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein Brennstoffmassenstrom-Stellorgan (17) für einen der Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung zuzuführenden Brennstoffmassenstrom und Mittel (9) zur Bestimmung der Temperatur des Speicherfluids stromab der Speicherfluid-Wärmezuführvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturregler mit der Speicherfluid-Temperatur stromab der Speicherfluid-Wärmezuführvorrichtung als Regelgrösse und der Stellung des Brennstoffmassenstrom-Stellorgans (17) als Stellgrösse beschaltet ist.

10. Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend das Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan (7) und Mittel (8) zur Bestimmung der Rauchgastemperatur stromab oder an einem stromabwärtigen Ende des primärseitigen Strömungsweges des Wärmeübertragungsapparates (202), dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturregler mit der Rauchgastemperatur im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe (1) stromab oder in einem stromabwärtigen Ende des Wärmeübertragungsapparates (202) als Regelgrösse und der Stellung des Speicherfluidmassenstrom-Stellorgans (7) als Stellgrösse beschaltet ist.

11. Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im primärseitigen Strömungsweg des Wärmeübertragungsapparates (202) ein Rauchgasreinigungskatalysator (205) angeordnet ist.

12. Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchgasreinigungskatalysator (205) stromab eines ersten Teils des primärseitigen Strömungsweges und stromauf eines zweiten Teils des primärseitigen Strömungsweges des Wärmeübertragungsapparates (202) angeordnet ist.

13. Kraftwerksanlage gemäss einem der Ansprüche 11 oder 12, umfassend das Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan (7) und Mittel (10) zur Bestimmung der Rauchgastemperatur stromauf des Katalysators und/oder der Katalysatortemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturregler mit der bestimmten Rauchgastemperatur stromauf des Katalysators (205) und/oder der Katalysatortemperatur als Regelgrösse und der Stellung des Speicherfluidmassenstrom-Stellorgans (7) als Stellgrösse beschaltet ist.

14. Kraftwerksanlage gemäss einem der Ansprüche 11 oder 12, umfassend eine Zusatzfeuerungseinrichtung (4), welche im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe (1) stromauf des Wärmeübertragungsapparates (205) angeordnet ist, ein Brennstoffmassenstrom-Stellorgan (5) für einen der Zusatzfeuerungseinrichtung zuzuführenden Brennstoffmassenstrom und Mittel (10) zur Bestimmung des Rauchgastemperatur stromauf des Katalysators (205) und/oder der Katalysatortemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturregler mit der bestimmten Rauchgastemperatur stromauf des Katalysators (205) und/oder der Katalysatortemperatur als Regelgrösse und der Stellung des Brennstoffmassenstrom-Stellorgans (5) als Stellgrösse beschaltet ist.

15. Verfahren zum Betrieb der Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: das Rauchgas der Gasturbogruppe (1) durch den primären Strömungsweg eines Wärmeübertragungsapparates (202) zu leiten; den Speicher-Fluidmassenstrom aus einem Druckfluidspeicher (201) zu entnehmen, den Speicher-Fluidmassenstrom durch den sekundären Strömungsweg die Sekundärseite des Wärmeübertragungsapparates (202) zu leiten und im Wärmetausch mit dem Rauchgas zu erwärmen; den erwärmten Speicher-Fluidmassenstrom in wenigstens einer Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) zu entspannen; gekennzeichnet durch den weiteren Schritt, das Speicherfluid nach dem Durchströmen des Wärmeübertragungsapparates (202) und vor dem Einströmen in die Druckspeicherfluid-Entspannungskraftmaschine (203) weiter zu erwärmen.