DE2102770A1 - Anlage einer Gasturbine mit Energiespeicherung gebunden mit einer Dampfturbine - Google Patents

Description

• ANLAGE EINER GASTURBINE MIT ENERGIESPEICHERUNG VERBUNDEN MIT EINER DAMPFTURBINE -=-=-=-=-=-=-=-=-Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage bestehend aus einer Gasturbine mit Energiespeicherung verbunden mit einer Dampfturbine die einen gemeinsamen Generator oder zwei getrennte Generatoren antreiben.
• Unter Gasturbine ist eine in Serie verbundene Gruppe von Turbinen und unter Verdichter gleichfalls eine in Serie verbundene Gruppe von Verdichtern zu verstehen.
• Die Gastnrbine mit Energiespeicherung wird als bekannt vorausgesetzt.
• In der Hauptsache beruht diese Gasturbine auf dem Prinzip einer zeitlicher Trennung der Luftkompression von der Expansion der Mischung der Luft mit verbrannten Gasen. Dies bedeutet dass man die durch den Verdichter komprimierte Luft nicht unmittelbar in die Gasturbine gelangen lasst, wie dies bei konventionellen Gasturbinen üblich ist, sondern die Luft in einem geeigneten Luftspeicher so lange wie dies nötig ist, aufspeichert. Sodann, b ei erhöhtem Energiebedarf oder Spitzenperioden, wird die auf die obige Weise aufgespeicherte Luft aus dem Speicherraum der Gasturbine zugeführt, wobei der Luftverdichter stillgelegt ist. Auf diese Weise, ist die Leistung der Gasturbine um 2, 5 bis 3 mal grösser als die Leistung einer konventionellen Turbine sein würde, indem die Turbine gleichzeitig die nützliche Leistung als auch die durch den Verdichter absorbierte Leistung ab gibt.
• Die Gegenstand der Erfindung bildende Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Luftverdichter mit Zwischenkiihlung verdichtete Luft in einem Luftspeicher aufgespeichert wird, um nachdem bei vorkommendem Energiebedarf über einen Wärmeaustauschen der Turbine zugeführt zu werden.
• Die Abgase der Gasturbine werden dem Dampfkessel, der die Dampfturbine speist, zugeführt und dienen darin als Verbrennungsluft bevor sie den erwähnten Wärmeäustauscher passieren, und durch den Schornstein in die Atmosphäre gelangen. Die Gegenstand der Erfindung bildende Anlage ist ausserdem dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat der Dampfturbine in den Zwischerkühlern des Verdichters als Kühlwasser dient, und in denselben einer ersten Erwärmung unterworfen wird.
• Die beiliegenden Zeichnungen Abb. 1, 2 und 3, erläutern als Beispiel 3 verschiedene Gegenstand der Erfindung bildende Anwendungen der Anlage.
• Die Abb. 1 zeigt eine Ausführung, in der die beiden Turbinen, d. h. die Dampf und die Gasturbine einen gemeinsamen Generator antreiben.
• Bei dieser Ausführung, kann die Dampfturbine unabhängig von der Gasturbine im Betrieb sein, während letztere eine solche Unabhängigkeit gegenüber der Dampfturbine, die gleichzeitig den Luftverdichter antreibt, nicht besitzt, Auf Abb. 2, ist eine Anlage dargestellt bei welcher beide Turbinen unabhängig von einander betrieben werden können, da der Verdichter durch seinen eigenen Antriebsmotor angetrieben wird wobei die beiden Turbinen durch geeignete Kupplungen mit einem gemeinsamen Generator verbunden sind. Der Antriebsmotor des Verdichters kann entweder durch eine der beiden Turbinen oder durch das äussere Netz gespeist werden, als auch gleichzeitig durch eine der beiden Turbinen und vom äusserem Netz. Der Antriebsmotor müsste ein Synchromotor sein, der als solcher, bei vorkommenden Bedarf als Kompensator dient, was eine Verbindung zwischen ihm und dem Verdichter durch eine geeignete Kupplung erfordert.
• Die Abb. 3 zeigt eine Ausführung der Anlage bei der die beiden Turbinen je einen eigenen Generator besitzen, während der Verdichter gleichfalls eigenen Antriebsmotor erhält; Die Anlagen gemäss Abb. 1 und 2 kennen gegenwärtig für Leistungen bis zu etwa 600 MW angewendet werden, welche Leistung als die H8chstleistung angesehen werden muss, da heutzutage die Ausführung von Kupplungen für eine grössere Leistung nicht durchführbar ist.
• Dagegen sind die Anlagen gemass Abb. 3 für jede Leistung anwendbar sowohl für Anlagen mit einer Leistung unter 600 MW als auch für solche für Leistungen von über 600 MW.
• Der Betrieb einer Anlage gemäss Abb. 1 geht folgendermassen vor die vom Verdichter (1) komprimierte Luft wird dem Behälter (3) zugeführt, worin sie gespeichert wird. Der Antrieb des Verdichters kann entweder durch die Dampfturbine (8) oder durch beide Turbinen, ohne dass das aussere Netz zum Antrieb allein herangezogen werden kann. Sodann, in der darauf folgenden erhöhten Belastungen oder Spitzenbetriebstunden wird die im Behälter (3) aufgespeicherte Luft über einen Rekuperator (4) der Gasturbine (6) zugeführt. Die Abgase die aus der Gasturbine bei hoher Temperatur entweichen und noch viel Sauerstoff enthalten werden dem Dampfkessel (7) zugeführt und als Verbrennungsluft verwendet. Die Abgase dieses Dampfkessels werden über einem Rekuperator (4) abgeführt, worin sie ihre Hitze abgeben und bis zu 1500C, und sogar bis 100"C abgekühlt werden. Das Kondensat der Dampfturbine wird in den Kaltwasserbehälter (18) geleitet, aus welchem es mittels einer Pumpe den Kühlern (2) des Verdichters zugeführt wird, und kommt danach aufgeheizt in den Heisswasser.
• behälter (17) aus dem es zu den Dampferhitzern (10 und 11) und zum Dampfkessel weitergeleitet wird. Der Brennstoff (19) kann für die Dampfturbine Kohle, Heizöl oder Heizgas und für die Gasturbine Heizöl oder Heizgas sein.
• Die in der Abb. 2 gezeigte Anlage ist von der Anlage 1 dadurch unterschiedlich dass für den Antrieb des Verdichters ein besonderer Antriebsmotor (21) vorgesehen ist und durch Einbau einer geeigneten Kupplung zwischen der Dampfturbine und dem gemeinsamen Generator.
• Dank diesen neuen Einrichtungen, können beide Turbinen unabhängig von einander betrieben werden, indem die für den Verdichterantrieb benötigte Energie sei es von der einen oder von der anderen Turbine, sei es vom äusseren Netz geliefert wird.
• Die Anlage laut Abt. 3 ermöglicht die gleichen Betriebskombinationen wie die Anlage nach Abt,2, indem eine solche Anlage für jede heute gebaute Gasturbinen-Leistung ohne besondere Kupplungen verwendbar ist.
• Es sind bereits verschiedene Kombinationan von Dampfturbine mit konventionellen Gasturbinen bekannt, jedoch ohne Energiespeicherung.
• In diesen Anlagen hat die Gasturbine einen Luftverbrauch von 25 bis 45 kg br je kWh sodass, falls man im Dampfkessel die Gesamtmenge des Sauerstoffes, der in den Abgasen der Gasturbine enthalten ist, verwendet eine 10 mal grössere Leistung der Dampfturbine im Verhältnis zur Leistung der Gasturbine erhält. Infolge dieses Verhältnisses von 1 : 10 ist der spezifische Verbrauch der kombinierten Anlage im Verhältnis zum Verbrauch der in Kombination kommenden Dampfturbinenanlage sehr gering, und nicht mehr als 1 - 6 % beträgt wobei die Investitionskosten dieser Anlage manchmal bis 8 % geringer und manchmal um 8 % höher im Verhältnis zu denjenigen der Dampfturbinenanlage sind. Wegen einer solchen relativ geringer Verbesserung entschliesst man sich selten solche kombinierte Anlagen zu errichten.
• Bei der Gegenstand der Erfindung bildenden kombinierten Anlage ermässigt sich der Luftbedarf der Gasturbine auf 4,5 - 5,5 kg je KWh während sich die Leistung der Gasturbine im Verhältnis von etwa 1,3 : 1 zur Leistung der Dampfturbine erhöht. Infolge dieses -Verhältnisses ist die Gegenstand der Erfindung bildende Anlage sehr wirtschaftlich im Vergleich mit dem was bisher erreicht werden konnte, und auch infolge der Möglichkeit die Abgase der Gasturbine als Verbrennungsluft im Dampfkessel zu verwenden, wodurch jeder Wärmeverlust der Verbrennungsgase des Dampfkessels vermieden wird, da jetzt die Abgase der Gasturbine in gleicher Zeit als Abgase des Dampfskessels durch den Kamin in die Atmosphäre abgeführt werden, und zuletzt eine Untersuchung der Gegenstand der Erfindung bildenden Anlage und deren kombinierten Betriebes lässt erkennen dass diese die wirtschaft.
• lichen Eigenschaften einer Gasturbine mit Energiespeicherung und zugleich die wirtschaftlichen Eigenschaften einer Dampfturbine vereinigt, Ausserdeir gehen aus der Gegenstand der Erfindung bildenden Kombination noch weitere neue Vorteile, die allein keine der beiden Arten der Turbinen, die zur Anlage gehören, aufweisen kann.
• Es können folgende Vorteile darunten genannt werden - um etwa 35 % geringere Investitionskosten pro installiertenkW im Vergleich zu den Investitionskosten der Dampfturbinenanlage - um 6 bis 16 % geringerer spezifischer Brennstoffverbrauch gegenüber dem Verbrauch fiampfturbinenanlage. Die Höhe dieser Einsparung hängt besonders von den Eigenschaften der zu installierenden Dampfturbine ab.
• - die Möglichkeit eines schnellen Anfahrens der Anlage innerhalb von 4 - 8 Minuten vom kalten Zustand bis zur vollen Leistung der Gasturbine, was etwa 60 % der Gesamtleistung der kombinierten Anlage beträgt, während die restlichen 40 % der Volleistung so schnell in Betrieb kommen, wie es der zur Verfügung stehende Dampfturbinenanlage zulässt - die Möglichkeit für die Luftverdichtung hydraulische Abfallenergie oder Randstromenergie während der niedrigeren Belastungen thermischer Kraftwerke zu verwenden.
• - die Möglichkeit Kohle als Brennstoff für die Dampferzeugung zu verwenden, wenn dies aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sinnvoll ist.
• - es besteht ein überaus ausgedehnte Elastizität im Betrieb welche es der Dampfturbine ermöglicht Tag und Nacht im Vollbetrieb zu sein während die dem Netz abgegebene Energie von 0 bis zu der Summe der Volleistung beider Turbinen varieren kann. Eine solche Betriebsart ist sehr wichtig für den Hersteller des Dampfkessels und der Dampfturbine in dem sie ihm bei der Konstruktion die Möglichkeit gib grösstmögliche Wirkungsgrade zu erreichen.
• Um zu zeigen, wie elastisch der Betrieb einer Anlage, die Gegenstand der Erfindung darstellt, sein kann, wird als Beispiel eine Anlage genannt, bei der die Gasturbine eine Leistung von 100 MW., die Dampfturbine eine Leistung von 75 MW und der Verdichter eine solche von 60 MW besitzen.
• Dieser Maschinensatz kann zum Beispiel während der Nachtstunden so betrieben werden, dass die Dampfturbine auf Volleistung läuft und den Luftverdichter antreibt. Für diesen Zweck, verbraucht die Dampfturbine 60 MW, d.h. den grössten Teil ihrer Leistung, während nur der Ueberschuss von 15 MW dem Netz abgegeben wird. Sobald die Belastung des Netzes sich in den Morgenstunden erhöht wird der Luftverdichter ausser Betrieb gesetzt und in-wenigen Sekunden kann die Dampfturbine ihre volle Leistung von 75 MW ans Netz abgegen. W Bei weiter steigenderr Bedarf, wird die Gasturbine in Betrieb gesetzt, was 1k wenige Minuten beansprucht, und wird die ganze zur Verfügung stehende Leistung von 175 MW dem Netz abgegeben. Man kann jedoch, anstatt den Verdichter abzustellen, die Gasturbine in Betrieb setzen und verfügt dann in den Morgenstunden über eine Leistung von 115 MW, um zu einem späteren Zeitpunkt den Verdichter abzustellen und dadurch über die maximale Leistung von 175 MW verfügen zu können. Die Anlage kann also so betrieben werden, dass sie entweder 15 MW - 75 - 175 MW, oder 15 MW - 115 MW - 175 MW dem Netz abgeben kann, Während jeden dieser verschiedenen Betriebsleistungen arbeiten die beiden Arten von Turbinen nicht anders als mit voller Leistung und ihr spezifischer Verbrauch entfernt sich nur wenig, wenn überhaupt vom optimalem Verbrauch der, wie früher gesagt, im Vergleich zum optimalen Verbrauch der Dampfturbine, um etwa 6-16 % geringer ist.
• Diese kombinierte Anlage kann auch mit jeder anderen Mittelleistung betrieben werden durch entsprechende Regelung einer der Turbinen oder beider Turbinen gleichzeitig.
• Es ist auch möglich die Dampfturbine am Sonnabend und Sonntag unter Vollast ohne Unterbrechung zu betreiben, ohne dass die kombinierte Anlage Energie für das Netz abgibt, wenn man im voraus die Leistung das Luftverdichters und den Rauminhalt des Speicherraumes entsprechend berechnet und vorsieht. Für den Dampfturbinenbetrieb bei stillgelegter Gasturbine muss die Verbrennungsluft durch Abgase des Dampfkessels erhitzt werden.
• Die kombinierte Anlage kann gleichfalls zur Erzeugung von Grundenergie durch gleichzeitigen Betrieb beider Turbinen und des Luftverdichters herangezogen werden. Die Gesamtleistung dieses Maschinensatzes würde in diesem Falle 115 MW betragen ; man kann aber den Verdichter während der Spitzenstunden stilllegen und die Leistung der Anlage auf 175 MW erhöhen.
• Daraus ist es ersichtlich dass die Gegenstand der Erfindung bildende Anlage unter vielfachen Betriebsarten unter den besten wirtschaftlichen Bedingungen eingesetzt werden kann.
• Ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil kann durch diese kombinierte Anlage bei Verwendung von im Wege der Druckvergasung aus Kohle oder Lignit erzeugtem Heizgases erzielt werden0 In diesem Falle, wird das Heizgas vollkommen unabhängig vom Betrieb und vom Bedarf des Kraftwerkes kontinuierlich ohne Unterbrechung und ohne jeder Schwankung in der Belastung unter konstantem Druck erzeugt und in einem besonderem Speicher, in gleicher Weise wie die Pressluft, gespeichert.
• Das unter Druck stehende Heizgas wird während der Expansion in der Gasturbine in gleicher Weise wie die Pressluft benutzt, sodass man um so weniger Luft pro kWh benötigt, als man komprimiertes Gas zum Heizen des Gemisches von Luft und Verbrennungsgasen auf die Eintrittstemperatur der Gasturbine, sagen wir auf 800"C zuführt.
• Die besondere Wirtschaftlichkeit eines nach dem Druckvergasungs verfahren hergestellten Heizgases durch dessen Verwendung in einer Gegenstand der Erfindung bildenden kombinierten Anlage ist dadurch gegeben, dass dieses aus Kohle hergestellte Heizgas, welches einen idealen Brennstoff für den Gasturbinenbetrieb darstellt in der Vergasungs anlage unter optimalen Wirtschaftlichkeitsbedingungen bei konstanter Maximalleistung, wie bereits vorher gesagt, hergestellt wird und daher die Leistung der Druckvergasungsanlage wesentlich kleiner gewählt werden kann, wobei die Gegenstand der Erfindung bildende Anlage unter den bereits früher erwähnten vorteilhaften wirtschaftlichen Bedingungen bei grösster Elastizität eingesetzt werden kann.
• Eine weitere Verbesserung der wirtschaftlichen Vorteile der kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage, die Gegenstand der Erfindung darstellt, ist dadurch gegeben, dass sowohl bei Heizgas als auch bei Heizölbetrieb eine Ermässigung der Investitionskosten sowohl auch eine Ersparnis an Brennstoffkosten erreicht wird, wenn man die Brennkammer der Niederdruckturbine in Form eines aufgeladenen Dampferzeugers entwirft.
• Der Druck dieses Apparates ist der Druck unter dem das Gemisch von Luft und Abgase am Austritt der Hochdruckgasturbine steht. Dieses Gemisch dient als Verbrennungsluft für den Aufgeladenen Dampferzeuger.
• Der Gestehungspreis des Kessels ist durch eine solche Anordnung ermässigt während der gesammte Wirkungsgrad der Anlage noch ein wenig erhöht ist.

Claims (3)

1. PATENTANSPRUCHE
2. ß)l. Anlage einer Gasturbine mit Energiespeicherung verbunden mit einer Dampfturbine dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Verdichter komprimierte Luft in einen Pressluftspeicher (3) beführt und in diesem gespeichert wird bis zum vorkommmenden Energiebedarf, um dann, nachdem die Pressluft durch den Wãrmeaustauscher (Rekuperator) (4) geführt wurde, zur Beschickung der Gasturbine (6) geleitet wird, deren Abgase zum Dampfkessel (7) der Dampfturbine (8) um dem Dampfkessel als Verbrennungsluft zu dienen und danach über den oben erwähnten Warmeaustauscher (4) geleitet wird, bevor durch den Kamin in die Atmosphäre gelangen ; sowie auch dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat aus dem Kondensator (9) der Dampfturbine im Kaltwasserbehälter (18) aufgenommen wird, aus dem es zuerst in die Zwischenkuhler des Verdichter geführt wird (2) um als Kühlwasser für die letzteren verwendet zu werden und sodann, nachdem es durch die Abhitze des Verdichters erwärmt wurde zum Heisswasserbehälter ) gelangt um als Speisewasser für den Dampfkessel über Dampferhitzer (10) und (11) geführt zu werden 2,Anlage wie vorstehend unter 1 beschrieben jedoch dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff für die Gasturbine ein nach dem Druckvergasungsverfahren aus Kohle unabhängig von der Anlage Hergestelltes Heizgas verwendet wird, welches kontinuierlich unter Vollast, auf derselben Weise wie die Pressluft in einem besonderem Speicher aufgespeichert wird um nachher als Treibstoff für die Gasturbine ausgenutzt zu werden während der Dampfkessel entweder mit dem besagten Heizgas oder durch Kohle beheizt wird.
3. 3.Anlage wir vorstehend unter 1 beschrieben jedoch dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Verwendung von Heizöl oder von Heizgas, die Niederdruckbrennkammer der Gasturbine als aufgeladener Damsrzeuger ausgebildet ist und zwar unter demselben Druck unter den die Abgase am Ausgang der Hochdruckgasturbine stehen wobei diese als Brennluft dienen; L e e r s e i t e