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DE3411444A1 - Gasturbinenkraftwerk mit luftspeicherung und verfahren zum betrieb desselben - Google Patents

Gasturbinenkraftwerk mit luftspeicherung und verfahren zum betrieb desselben

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Publication number
DE3411444A1
DE3411444A1 DE19843411444 DE3411444A DE3411444A1 DE 3411444 A1 DE3411444 A1 DE 3411444A1 DE 19843411444 DE19843411444 DE 19843411444 DE 3411444 A DE3411444 A DE 3411444A DE 3411444 A1 DE3411444 A1 DE 3411444A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
turbine
compressor group
air
generator
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19843411444
Other languages
English (en)
Inventor
Hansulrich 5223 Riniken Frutschi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BBC Brown Boveri AG Switzerland
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri AG Switzerland filed Critical BBC Brown Boveri AG Switzerland
Publication of DE3411444A1 publication Critical patent/DE3411444A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/211—Heat transfer, e.g. cooling by intercooling, e.g. during a compression cycle
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

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31.1.1984 Mü/eh
Gasturbinenkraftwerk mit Luftspeicherung und Verfahren zum Betrieb desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinenkraftwerk nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb desselben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Die Erfindung entstand aus der Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Turbine eines Gasturbinenkraftwerks sowohl als konventionelle Turbine mit einer direkt gekuppelten Verdichtergruppe als auch als reine Speicherluftgasturbine, die ihre Verbrennungsluft ausschliesslich aus einem Luftspeicher bezieht, als auch im beliebigen Verhältnis gemischt aus diesen beiden Druckluftquellen gespeist betrieben werden kann.
Um diese Forderungen zu erfüllen, muss eine an sich konventionelle Gasturbinenanlage für ein Verdichterdruckverhältnis ausgelegt sein, das sie für den Betrieb mit einem Luftspeicher, in der Regel also mit einer
unterirdischen Luftspeicherkaverne, kompatibel macht. Dies bedeutet, dass, wenn z.B. der Druck in der Kaverne 50 bar bei etwa Umgebungstemperatur beträgt, das Druckverhältnis der Verdichtergruppe /L- 50 sein sollte. Genauer gesagt, muss der Verdichterenddruck bei den Betriebsarten, bei denen die Verdichtergruppe ausschliesslich oder teilweise Luft in die Speicherkaverne liefert, mindestens gleich dem Druck in der Speicherkaverne sein.
Bei heutigen Luftspeichergasturbinenanlagen liegt das Druckverhältnis im Bereich von 40 - 70. Es wird erzeugt von vielstufigen Industrieaxialverdichtern mit mehrfacher Zwischenkühlung und mit Nachkühlung der verdichteten Luft vor ihrem Eintritt in die Speicherkaverne. Die Förderleistung dieser Verdichter liegt bei den bekannten Luftspeichergasturbinenkraftwerken wesentlich unter dem für die volle Leistung der Turbine allein erforderlichen Luftmassenstrom, beispielsweise bei einem Viertel desselben. Dies bedeutet, dass die Verdichtergruppe in den Schwachlastperioden, in denen sie von dem als Motor betriebenen Generator angetrieben wird, viermal so lange arbeiten muss, um die von der Turbine aus der Speicherkaverne verbrauchte Luft zu ersetzen. Dies kann unter Umständen eine untragbare Einschränkung des verfügbaren elektrischen Arbeitsvermögens, insbesondere der Betriebsdauer der Turbine bedeuten. Aber auch wenn der Verdichtermassenstrom gleich oder sogar grosser als der Turbinenmassenstrom gewählt wird, kann maximal nur die von den Verdichtern in die Kaverne geförderte Luftmenge als Betriebsluft für die Turbine dienen. Sobald diese verbraucht ist, muss von Leistungsbetrieb wieder auf Pumpbetrieb übergegangen werden. Es kann also nur in zeitlich begrenzten längeren oder kürzeren Intervallen elektrische Energie gespeichert und anschliessend erzeugt werden.
lit--|nii rl 1 π Ve r hä ltn i nno be 1 gewöhnlichen Gasturbinenkraftwerken. Bei diesen liefert der dauernd von der Turbine angetriebene Verdichter kontinuierlich und instantan die von der Turbine benötigte Verbrennungsluft, so dass beliebig lang dauernde Betriebsintervalle möglich sind. Solche Gasturbinenanlagen sind jedoch reine thermische Stromerzeuger und erlauben keine Speicherung von elektrischer Energie. Zu Zeiten geringeren Stromverbrauches, d.h., im Teillastbetrieb, sinkt ihr Wirkungsgrad erheblich, so dass Teillastbetrieb wirtschaftlich ungünstig werden kann.
Diese Nachteile der bekannten Gasturbinenkraftwerke sollen durch das im Patentanspruch 1 definierte Gasturbinenkraftwerk in Verbindung mit einem im Anspruch 12 definierten Verfahren zu dessen optimalem Betrieb im ganzen Lastbereich vermieden werden. Insbesondere soll damit auch ein Ueberlastbetrieb möglich sein, bei dem unter Einbezug der Verdichtergruppe die Last über jene bei reinem Gasturbinenbetrieb gesteigert werden kann.
Anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Die Fig. 1 und 2 der Zeichnung stellen zwei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dar.
In Fig. 1 ist eine Turbine mit 1 und ein als Elektromotor betreibbarer Generator mit 2 bezeichnet. Die Turbine weist interne R.eg.elorgane in Form einer im Betrieb verstellbaren Leitbeschaufelung oder Partialbeaufschlagung auf. Die Wellen der Turbine 1 und des Generators 2 sind starr miteinander gekuppelt. Zwischen der Turbinenwelle 5 und einer Verdichterwelle 6, die einen N'iederdruckverdichter 5 und einen Hochdruckverdichter 4 miteinander verbindet, ist ein hydrodynamischer Drehmomentwandler 7 bekannter Bauart mit mechanischer Ueberbrückungseinrich-
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tung vorgesehen, der ein Kuppeln mit Drehmomentwandlung sowie starrer Verbindung der beiden Wellen sowie deren vollständiges Entkuppeln erlaubt. Anstelle eines solchen Drehmomentwandlers, der es ermöglicht, die aus den beiden Verdichtern 3 und 4 gebildete Verdichtergruppe auf die Drehzahl der laufenden Turbine 1 bzw. des bei ausschliesslicher Speicherung der von der Verdichtergruppe 3 + 4 geförderten Luft in einer Speicherkaverne als Motor fungierenden Generators 2 zu bringen und durch starre Kupplung der Wellen 5 und 6 zu synchronisieren, könnte beispielsweise auch eine elektromagnetische Induktionskupplung verwendet werden, durch die ein drehelastischer Gleichlauf erzielt wird. Eine Verriegelungsmöglichkeit braucht dabei nicht vorgesehen zu werden. Die Verdichtergruppe 3+4 ist wie die Turbine mit internen Regelorganen ausgerüstet und zwar mit im Betrieb verstellbarer Leitbeschaufelung und eventuell auch zusätzlich verstellbarer Laufbeschaufelung.
Während bei einer elektromagnetischen Induktionskupplung die auf der angetriebenen, d.h., auf der Verdichterwelle 6 sitzende Kupplungshälfte durch die auf der treibenden Turbinenwelle sitzende Kupplungshälfte auf die Turbinendrehzahl hochgezogen und bei Erreichen des Gleichlaufes schlupflos mitgenommen wird, wird man bei Verwendung eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers durch entsprechende Einstellung des Drehmoments die Verdichterwelle auf eine geringfügig über der Turbinendrehzahl liegende L Drehzahl bringen, dann auf die Gleichlaufdrehzahl ab- ■ fallen lassen und sodann mechanisch überbrücken, wodurch der Drehmomentwandler zur Kupplung wird. In der vorliegenden Verwendung haben demnach der hydrodynamische Drehmomentwandler und die elektromagnetische Induktionskupplung eine drehzahlsynchronisierende Funktion.
Die vom Niederdruckverdichter 3 aus der Atmosphäre ange- :i> saugte und auf einen Zwischendruck verdichtete Luft
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gelangt über einen Zwischenkühler 8, in dem sie einen Teil der KompressionjSwärme an irgendwelche Heizflächen abgibt, beispielsweise an eine Heizfläche 9 für ein Fernheiznetz und eine Heizfläche 10 für die Heizung des Kraftwerksgebäudes.
Aus dem Zwischenkühler 8 gelangt die Niederdruckluft in den Hochdruckverdichter 4, aus dem die auf Hochdruck verdichtete Luft,, über ein Absperrventil 11 in eine Hochdruckluftleitung 12 gefördert wird, von wo sie je nach Betriebsart, gesteuert von einem Speicherventil 13 und einem Drosselventil 14, entweder bei geschlossenem Drosselventil 14 und offenem Speicherventil 13 über eine Speicherluftleitung 15 ausschliesslich, nach Passieren eines Nachkühlers 16 für die Druckluft, in eine Speicherkaverne 17 gedrückt wird, oder bei geschlossenem Speicherventil 13 und entsprechend der Turbinenleistung geöffnetem Drosselventil 14 über eine Turbinenluftleitung 18 in einen Rekuperator 19, aus dem sie vorgewärmt in eine Brennkammer 20 gelangt. Die darin erzeugten Treibgase strömen nach Arbeitsleistung in der Turbine 1 durch eine Abgasleitung 21 normalerweise durch den Rekuperator 19 und einen Wärmetauscher 22, wo ein Teil der Abwärme beispielsweise an ein Femheiznetz 23 abgegeben wird. Die Abgase gelangen danach ins Freie. Zur Steuerung oder Regelung der Wärmeabgabe aus den Abgasen an den Rekuperator 19 und/oder an den Wärmetauscher 22 dienen Umgehungsleitungen 24, 25 und in der Umgehungsleitung 24 vorgesehene Absperr- und Drosselklappen 26 und 27.
Bei einer Variante dieser Ausführungsform ist für die Verdichtergruppe 3+4 ein eigener, mittels einer Schaltkupplung 28 an- und abkuppelbarer Elektromotor 29 vorgesehen. Dieser, in Fig. 1 strichpunktiert eingezeichnete Zusatzantrieb bringt den Vorteil mit sich, dass bei ausschliesslicher Speicherung der von der Verdichter-
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Ai-
gruppe geförderten Luft in der Speicherkaverne 17 der Generator 2 mit der starr angekoppelten und damit leistungsverzehrenden Turbine 1 nicht als Antriebsmotor gebraucht werden muss.
Bei der weiteren, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind den Elementen, soweit sie jenen nach Fig. 1 baulich und funktionell entsprechen, auch die gleichen Bezugszahlen zugeordnet. Sie brauchen also nicht mehr beschrieben zu werden.
Der Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber jener nach Fig. 1 besteht in der Anordnung der Turbine 30 und des auch als Elektromotor betreibbaren Generators 31 bezüglich der Verdichtergruppe 3+4. Der Generator/ Motor 31 ist hier antriebsmässig zwischen der Turbine und der Verdichtergruppe 3+4 angeordnet und mit der Turbine 30 durch eine Schaltkupplung 32 in und ausser Antriebsverbindung bringbar. Ein hydrodynamischer Drehmomentwandler 33, der die gleiche Aufgabe hat wie der Drehmomentwandler 7 nach Fig. 1 und an dessen Stelle auch die erwähnte elektromagnetische Induktionskupplung verwendet werden könnte, ist hier zwischen dem Generator 31 und der Verdichtergruppe 3+4 vorgesehen. Im übrigen entspricht, wie gesagt, die Anlage jener nach Fig. 1.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb dieser insgesamt drei Varianten des erfindungsgemässen Gasturbinenkraftwerks weist eine Reihe von für alle drei Ausfüh- f rungen übereinstimmenden Betriebsarten auf. Darüber hinaus gibt es zwei durch die drei unterschiedlichen Konfigurationen der Maschinengruppe bedingte zusätzliche Betriebsarten.
Die gemeinsamen Betriebsarten beatuhen in folgendem, wobei natürlich das Absperrventil Il in allen Fällen voll geöffnet ist:
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Das Kraftwerk wird bei Nennleistung als reine Gasturbine ohne Speicherlu.ft aus, der Speicherkaverne 17 betrieben. Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist dabei die Turbine 1, die mit dem Generator 2 ständig starr gekuppelt ist, bei verriegeltem Drehmomentwandler 7 auch mit der Verdichtergruppe starr verbunden und erhält die verdichtete Verbrennungsluft bei geschlossenem Speicherventil 13 und voll offenem Drosselventil 14 ausschliesslich von der Verdichtergruppe. Die Beschaufelungen von Verdichtergruppe und, sofern vorhanden, Turbine befinden sich dabei in d'er Nennleistungsstellung.
Bei der Variante von Fig. 1 mit dem strichpunktiert eingezeichneten Elektromotor 29 ist dieser durch die Schaltkupplung 28 von der Verdichterwelle abgekuppelt.
Bei der Anlage nach Fig. 2 sind bei dieser Betriebsart die Kupplungshälften der Schaltkupplung 32 zwischen Turbine 30 und Generator 31 im Eingriff und der Drehmomentwandler 33 zwischen Generator und Verdichtergruppe ist mechanisch überbrückt, d.h., verriegelt.
Bei der zweiten gemeinsamen Betriebsart, dem Teillastbetrieb, ist die Turbine 1 bzw. 30 ebenfalls mit der betreffenden Verdichtergruppe und dem betreffenden Generator 2 bzw. 31 wie vorstehend beschrieben starr verbunden. Die Verdichterbeschaufelung ist dabei voll geöffnet, die Speisung der Turbine ist durch das Drosselventil oder durch teilweises Schliessen der. Turbinenleitschaufeln oder partielle Beaufschlagung der Turbine entsprechend der geforderten Leistung eingeschränkt. Die Luftzufuhr zur Turbine ist so weit gedrosselt, dass die Turbinenleistung gerade noch zum Antrieb der Verdichtergruppe genügt und die Generatorleistung Null ist. Das Speicherventil 13 ist voll offen, so dass ein Teil der von der Verdichtergruppe geförderten Luft über die Speicherluft-
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leitung 15 und den Nachkühler 16 in die Speicherkaverne 17 gedrückt wird.
Das Einstellen der Drosselung erfolgt durch Zusammenwirken von Drosselventil 14 und Speicherventil 13. Ersteres wird mehr oder weniger geschlossen, letzteres geöffnet. Die Verdichtergruppe ist in jedem Falle so ausgelegt, dass sie bei allen Betriebszuständen, bei denen sie mitwirkt, den gleichen Enddruck liefert, der mindestens gleich sein muss dem höchsten zulässigen Speicherdruck.
Vorausgesetzt ist dabei Gleichdruckspeicherung mit einer Druckkompensation bekannter Art, vorzugsweise durch eine Wasservorlage. Die oben charakterisierte Verdichtergruppe hat die Eigenschaft, dass sie für eine bestimmte Schaufelstellung, z.B. für die ganz geöffnete, einen konstanten Luftstrom liefert. Was davon von der Turbine nicht verarbeitet wird, nimmt die Speicherkaverne auf.
Eine weitere, allen Ausführungen gemeinsame Betriebsart ist der Leerlaufbetrieb mit Luftspeicherung, wobei die Turbine mit der Verdichtergruppe und dem Generator starr gekuppelt ist, bei der Ausführung nach Fig. 1 mit mechanisch verriegeltem Drehmomentwandler, bei der Bauart nach Fig. 2 mit im Eingriff befindlicher Schaltkupplung 32 und verriegeltem Drehmomentwandler 33. Dabei wird der grösste Teil der von der Verdichtergruppe gelieferten Luft in die Speicherkaverne gedrückt, während der Turbine nur gerade so viel Luft zugeführt wird, dass ihre Leistung bei der Generatorleistung Null zum f Antrieb der Verdichtergruppe genügt. Es wird dabei der maximal mögliche Teil der Verdichterluft gespeichert, die den gewonnenen Energieanteil aus dem Brennstoff darstellt.
Die nächste gemeinsame Betriebsart stellt der Ueberlastbetrieb dar, bei dem Turbine, Verdichtergruppe und Generator
starr miteinander gekuppelt sind und die Beschaufelung der Verdichtergruppe auf die kleinstzulässige Durchflussmenge verstellt wird. Den darüber hinausgehenden Luftstrom, der zusätzlich zu dem von der Verdichtergruppe gelieferten Luftstrom erforderlich ist, wird dabei der Speicherkaverne entnommen. Zu dieser Betriebsart gelangt man ausgehend vom Betrieb als reine Gasturbine ohne Speicherluftentnahme, indem durch Zufahren, d.h., teilweises Schliessen der Verdichterbeschaufelung, die Luftlieferung und damit die Leistungsaufnahme der Verdichtergruppe reduziert wird. Die Turbine wird sodann durch Luftentnahme aus der Speicherkaverne auf gleicher Leistung wie bei reinem Gasturbinenbetrieb gehalten. Die an der Verdichtergruppe eingesparte Leistung kommt dann dem Generator als Ueberlast zugute. Die maximale Ueberlast ist durch die Pumpgrenze der Verdichtergruppe gegeben.
Die letzte gemeinsame, bei allen beschriebenen Ausführungen mögliche Betriebsart ist der Maximalleistungsbetrieb, bei dem die Verdichtergruppe stillgelegt ist, Turbine und Generator also von der Verdichtergruppe abgekuppelt sind, und das Absperrventil 11 nach der Verdichtergruppe abgesperrt ist. Das Speicherventil. 13 und das Drosselventil 14 sind voll geöffnet und die Turbine wird ausschliesslich mit Speicherluft gespeist.
Der Generator erhält jetzt die volle, frei verfügbare Turbinenleistung. Wegen des·wegfallenden Leistungsbedarfs der Verdichtergruppe steht für den Generatorantrieb jetzt die zwei- bis zweieinhalb fache Leistung gegenüber dem Betrieb als reine Gasturbine ohne Speicherluftzufuhr zur Verfügung.
Eine mit der Ausführung nach Fig. 1 bei Vorhandensein des durch die Schaltkupplung 28 an- und abkuppelbaren Elektromotors 29 sowie mit der Ausführung nach Fig. 2 mögliche Betriebsart ist der reine Speicherungsbetrieb, d.h., Laden der Speicherkaverne bei stillgesetzter Tür-
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bine 30 nach Fig. 2 durch Lösen der Schaltkupplung 32, wobei die Verdichtergruppe durch den als Motor geschalteten Generator 31 angetrieben wird, und bei der Ausführung nach Fig. 1 mit den strichpunktierten Ergänzungen 28 und 29 durch Abkuppeln der Turbine 1 plus Generator 2 durch Entleeren des Drehmomentwandlers 7 und Ankuppeln des Elektromotors 29 an die Verdichtergruppe 3+4 über die Schaltkupplung 28. Die Verdichtergruppe fördert dann bei voll offenem Speicherventil 31 und geschlossenem Drosselventil 14 ausschliesslich in die Speicherkaverne.
Diese extreme Betriebsart, die reine Luftspeicherung gestattet, wird nicht für jeden Standort erforderlich sein. Es genügt oft der Teillastbetrieb und der Leerlaufbetrieb mit Luftspeicherung.
Eine Betriebsart Luftspeicherung, die sinnvoll nur für die Ausführung nach Fig. 1 ohne den zusätzlichen, strichpunktiert eingezeichneten Elektromotor 29 in Frage kommt, besteht darin, dass der Generator 2 die Turbine 1 und über den verriegelten Drehmomentwandler 7 die Verdichtergruppe 3+4 antreibt. Die Brennkammer 20 ist dabei abgeschaltet und die Turbine erhält über das Drosselventeil 14 nur einen kleinen, zu ihrer Kühlung ausreichenden Kühlluftstrom, während der Hauptteil des Verdichterluftstromes in die Speicherkaverne gedrückt wird. Die Kühlluft führt die durch die Ventilation entstehende Wärme ab. Diese Art der Speicherung ist energetisch gesehen zwar ' nicht so günstig wie die vorbeschriebene, bei der die Verdichtergruppe durch einen eigens hiefür vorgesehenen Elektromotor angetrieben wird, doch sind dafür die Anlagekosten einer solchen Variante niedriger. Vor allem wenn reiner Speicherbetrieb nur in Ausnahmefällen praktiziert werden soll, kann diese Betriebsart sinnvoll sein.
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Anstatt der in Fig. 1 gezeigten Anordnung des Generators 2 am Turbinenwellenende könnte dieser auch an der Stelle des strichpunktiert eingezeichneten Motors 29 unter Weglassung der Kupplung 28 plaziert sein. Damit wären die oben beschriebenen Betriebsarten, wie Gasturbinenbetrieb, Teillastbetrieb, Leerlaufbetrieb mit Luftspeicherung, reiner Luftspeicherungsbetrieb und Ueberlastbetrieb durchführbar. Der Maximalbetrieb wäre jedoch nur in reduziertem Masse durchführbar, indem die zwischen Turbine und Generator liegende Verdichtergruppe notgedrungen, wenn auch im Ausblasebetrieb, mitlaufen müssten. Dadurch, dass die maximal mögliche Nutzleistung geschmälert wird, steigen jedoch die spezifischen Anlagekosten, was sich negativ auswirkt. Dabei ist eine Anordnung gemäss Fig.
1 oder Fig. 2 vorzuziehen. Allerdings wäre der. Drehmomentwandler 7 bei verdichterseitiger Anordnung des Generators nur noch zum Anfahren der Verdichtergruppe mitsamt dem Generator bis zu dessen Synchronisation und Parallelschaltung mit dem Stromnetz nach einer.Stillsetzung des Wellenstranges erforderlich. Die zum Anfahren benötigte mechanische Energie würde dann die Turbine mit Druckluft aus dem Speicher liefern, was dem Stand der Technik entspricht.
Diese vierte Ausführungsform führt zu einer weiteren, wenn auch nicht so günstigen Betriebsart wie die oben beschriebenen.
- Leerseite

Claims (13)

  1. Patentansprüche
    Gasturbinenkraftwerk mit Luftspeicherung, mit einer Gasturbine, einer von deren Turbine (1; 50) antreibbaren mehrstufigen Verdichtergruppe (3 + 4) mit Zwischenkühlern (8) und einem Nachkühler (16), mit einem gegebenenfalls als Elektromotor betreibbaren Generator (2; 31), mit Verdichterluftleitungen (12, 15, 18), die die Turbine mit der Verdichtergruppe und einer unterirdischen Luftspeicherkaverne (17) verbinden, mit Ventileinrichtungen (11, 13, 14) in den Verdichterluftleitungen, durch die die Turbine wahlweise allein mit der Verdichtergruppe oder der Luftspeicherkaverne oder gleichzeitig mit beiden leitend verbunden oder die Verdichtergruppe allein mit der Luftspeicherkaverne in leitende Verbindung gebracht werden kann, ferner mit mindestens einem Rekuperator (19) zur Vorwärmung der verdichteten Luft durch die Turbinenabgase vor ihrem Eintritt in die Brennkammer (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtergruppe (3 + 4) für ein Druckverhältnis ausgelegt ist, bei dem der Verdichterenddruck mindestens gleich ist dem maximalen Speicherluftdruck, dass im Antriebswellenstrang zwischen der Turbine (1; 30) und der Verdichtergruppe (3 + 4) eine drehzahlsynchronisierende Verbindungseinrichtung (7; 33) vorgesehen ist, mit der die Drehzahl der Welle der Verdichtergruppe ■ (3 + 4) auf die Drehzahl der Turbinenwelle gebracht ' werden kann und die Welle der Verdichtergruppe (3 + 4) mit dem Antriebswellenstrang der Turbine (1; 30) mechanisch starr kuppelbar ist, und dass mindestens ein Teil der Leit- und/oder Laufschaufeln der Verdichtergruppe (3 + 4) während des Betriebes verstellbar sind.
  2. 2. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (2) an dem der Verdichtergruppe (3 + 4) abgewandten Ende der Turbine (1) angeordnet ist, und dass die Turbinenwelle mit der Generatorwelle starr verbunden ist.
  3. 3. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (2) an dem der Turbine (1) abgewandten Ende der Verdichtergruppe (3 + 4) angeordnet ist, und dass die Welle der Verdichtergruppe mit der Generatorwelle starr verbunden ist.
  4. 4. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem der Turbine (1) abgewandten Ende der Verdichtergruppe (3 + 4) ein Elektromotor (29) vorgesehen ist, der durch eine Schaltkupplung
    (28) mit der Verdichtergruppe (3 + 4) kuppelbar ist.
  5. 5. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (31) im Antriebsstrang zwischen Turbine (30) und Verdichtergruppe (3 + 4) und die drehzahlsynchronisierende Verbindungseinrichtung (33) zwischen dem Generator (31) und der Verdichtergruppe (3 +4) angeordnet ist, dass im Antriebsstrang zwischen Turbine (30) und Generator (31) eine Schaltkupplung (32) vorgesehen ist, und dass der Generator (31) als Elektromotor betreibbar ist.
  6. 6. Gasturbinenkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die drehzahlsynchronisierende Verbindungseinrichtung im Antriebswellenstrang zwischen der Turbine (1; 30) und der Verdichtergruppe (3 + 4) ein hydrodynamischer Drehmomentwandler (7; 33) ist·
  7. 7. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drehzahlsynchronisierende Verbin-
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    .3-
    dungseinrichtung im Antriebswellenstrang zwischen der Turbine und der Verdichtergruppe eine elektromagnetische Induktionskupplung ist.
  8. 8. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Leitschaufeln der Turbine (1; 30) verstellbar ist.
  9. 9. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste Stufe der Turbine (1; 30) voneinander separierte Düsengruppen zwecks Partialbeaufschlagung aufweist.
  10. 10. Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerks mit Luftspeicherung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Betriebsarten:
    - Betrieb des Kraftwerks bei Nennleistung ohne Speicherluft, wobei die Turbine (1; 30) mit der Verdichtergruppe (3 + 4) und dem Generator. (2; 31) starr gekuppelt ist, durch Speisung der Turbine (1; 30) mit verdichteter Luft ausschliesslich aus der Verdichtergruppe (3 + 4) bei voller Oeffnung der Verdichterleitschaufeln und damit maximaler Förderleistung;
    - Teillastbetrieb, wobei die Turbine (1; 30) mit der Verdichtergruppe (3 + 4) und dem Generator (2; 31) starr gekuppelt ist und die Verdichterbeschaufelung voll offen ist, bei gedrosselter Speisung der Turbine (1; 30) durch das Drosselventil (14) j oder bei teilweise geschlossenen Leitschaufeln der Turbine (1; 30) oder partieller Beaufschlagung der Turbine (1; 30) mit einem Teil der von der Verdichtergruppe (3 + 4) gelieferten Luft und Speicherung der restlichen von der Verdichtergruppe (3 + 4) gelieferten Luft in der Speicherkaverne (17);
    10/fw ■ If-
    - Leerlaufbetrieb mit Luftspeicherung, wobei die Turbine (1; 30) mit der Verdichtergruppe (3 + 4) und dem Generator (2; 31) starr gekuppelt ist und ein Teil der von der Verdichtergruppe (3 + 4) gelieferten Luft in die Speicherkaverne (17) gefördert wird, bei soweit reduzierter Speisung der Turbine
    (1; 30) mit Luft aus der Verq"ichtergruppe (3 + 4), dass die Turbinenleistung gerade noch zum Antrieb der Verdichtergruppe (3+4) genügt und die Generatorleistung Null ist;
    - Ueberlastbetrieb, wobei die Turbine (1; 30) mit der Verdichtergruppe (3 + 4) und dem Generator (2; 31) starr gekuppelt ist und die Beschaufelung der Verdichtergruppe (3 + 4) auf die kleinstzulässige Durchflussmenge geschlossen wird und die Luft, welche über die von der Verdichtergruppe (3 + 4) gelieferte Luft hinaus erforderlich ist, aus der Speicherkaverne (17) bezogen wird; und - Maximalleistungsbetrieb, wobei die Verdichtergruppe (3 + 4) von der Turbine (1; 30) und dem Generator (2; 31) abgekuppelt ist und die Turbine (1; 30) ausschliesslich mit Luft aus der Speicherkaverne (17) gespeist wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10 zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerks nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1; 30) von der Verdichtergruppe (3 + 4) abgekuppelt ist und letztere von dem als Motor geschalteten Generator (31) oder dem eigens dafür vorgesehenen Elektromotor (29) angetrieben wird und die Luft ausschliesslich in die Speicherkaverne (17) fördert.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerks nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich-
    net, dass die Verdichtergruppe (3 + 4) und die Turbine (1) vom Generator (2) angetrieben werden, dass die Brennkammer (20) abgeschaltet ist und die Speisung der Turbine (1) mit Luft aus der Verdichtergruppe (3+4) soweit gedrosselt ist, dass die Turbine (1) nur noch den zur Kühlung erforderlichen Kühlluftstrom erhält, und dass der verbleibende Hauptteil der von der Verdichtergruppe (3 + 4) geförderten Luft in die Speicherkaverne (17) geliefert wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 10 zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerks nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtergruppe (3 + 4) und der Generator (2) von der Turbine (1) angetrieben werden, wobei zwecks maximaler Nutzleistung am Generator (2) . die Verdichtergruppe (3 + 4) im Ausblasebetrieb bei minimaler Leistungsaufnahme betrieben wird, und die Brennkammer (20) ausschliesslich mit Druckluft aus der Speicherkaverne (17) versorgt wird, wobei das Ventil (11) geschlossen ist.
DE19843411444 1984-01-31 1984-03-28 Gasturbinenkraftwerk mit luftspeicherung und verfahren zum betrieb desselben Withdrawn DE3411444A1 (de)

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