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DE3428041A1 - Luftspeichergasturbinenkraftwerk mit wirbelbettfeuerung - Google Patents

Luftspeichergasturbinenkraftwerk mit wirbelbettfeuerung

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Publication number
DE3428041A1
DE3428041A1 DE19843428041 DE3428041A DE3428041A1 DE 3428041 A1 DE3428041 A1 DE 3428041A1 DE 19843428041 DE19843428041 DE 19843428041 DE 3428041 A DE3428041 A DE 3428041A DE 3428041 A1 DE3428041 A1 DE 3428041A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
low
compressor
fluidized bed
turbine
line
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Withdrawn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
DE19843428041
Other languages
English (en)
Inventor
Hansulrich 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
Priority to DE19843428041 priority Critical patent/DE3428041A1/de
Priority to CA000486565A priority patent/CA1248357A/en
Priority to US06/753,913 priority patent/US4630436A/en
Priority to JP60166962A priority patent/JPS61182427A/ja
Publication of DE3428041A1 publication Critical patent/DE3428041A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/205—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products in a fluidised-bed combustor
    • 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
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    • 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
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Description

Luftspeichergasturbinenkraftwerk mit Wirbelbett feuerung
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27.7.84 Mü/dh
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftspeichergasturbinenkraftwerk mit Wirbelschichtfeuerung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei konventionellen Luftspeichergasturbinenkraftwerken sind zwischen den Wellen des Verdichters, einer als Generator und als Motor betreibbaren elektrischen Maschine und der Gasturbine lösbare Schaltkupplungen vorgesehen, durch die je nach Betriebsart zwei oder alle drei Anlagenteile miteinander gekuppelt werden können. So ist es z.B. möglich, den Verdichter mit der als Motor be- , triebenen elektrischen Maschine zu kuppeln und anzutreiben und die erzeugte Druckluft in einem Speicher, z.B. in einer unterirdischen Kaverne, zu speichern, um daraus bei Bedarf die Turbine mit Verbrennungsluft zur Erzeugung des Treibgases zu speisen, die dann ihrerseits mit der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine gekuppelt wird, um Strom zu erzeugen. Da hierbei der Antrieb des Verdichters durch die Turbine wegfällt, kann auf diese Weise die maximale Turbinenleistung zur Strom-
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erzeugung ausgenutzt werden. Mit diesen Schaltungsmöglichkeiten erreicht man minimale spezifische Investitionskosten .
Es ist natürlich auch möglich, alle drei Anlagenteile miteinander zu kuppeln, d.h., Verdichter und Generator ohne Luftentnahme aus der Kaverne durch die Turbine anzutreiben, den ganzen Maschinensatz also als Gasturbogruppe zu betreiben. Dies setzt jedoch voraus, dass Verdichter und Turbine für den gleichen Massendurchsatz ausgelegt sind, was aber für einen ausschliesslichen Speicherbetrieb nicht unbedingt erforderlich ist, weil eine andere Aufteilung optimal sein kann.
In der deutschen Patentanmeldung P 34 11 444.0 vom 28.3. 1984 ist beschrieben, wie eine solche Anlage im gemischten Gasturbinen- und Speicherbetrieb geschaltet werden kann. Dabei wird die Luftzufuhr aus dem Verdichter zur Brennkammer der Gasturbine und damit der Treibgasstrom für die Turbine gedrosselt. Die Anlage arbeitet dann also im Teillastbetrieb, wobei die vom Verdichter gelieferte, überschüssige Druckluftmenge in der Kaverne gespeichert wird. Bei einer solchen Anlage kann durch Vermindern der Verdichterleistung, z.B. durch Leitschaufelverstellung, oder durch Abkuppeln des Verdichters und Entnahme von Druckluft ausschliesslich aus der Speicherkaverne die Generatorleistung über jene des normalen Gasturbinenbetriebes hinaus erheblich gesteigert werden.
Bei solchen Luftspeichergasturbinenkraftwerken ist eine Umschaltung von Speicherbetrieb auf Stromerzeugung schnell, problemlos und verlustarm möglich. Ein Schnellstart aus dem kalten Zustand der Anlage ist durch Anwerfen der Welle und Zünden der Brennkammer in wenigen Minuten durchzuführen.
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Bei kohlegefeuerten Luftspeichergasturbinenkraftwerken, die heute zunehmend an Bedeutung gewinnen, liegen diese Verhältnisse nicht so günstig. Dies gilt auch für Anlagen, bei denen die Kohle in aufgeladenen Wirbelbett- feuerungen verbrannt wird. Solche Wirbelbettfeuerungen eignen sich bestens für die Verfeuerung von Kohle, da ihr Schwefelgehalt durch Kalksteinbeigabe leicht abzubinden ist und wegen der relativ niedrigen Verbrennungstemperatur im Wirbelbett die Bildung von Stickoxiden reduziert wird und die Asche nicht schmilzt. Es fehlen daher in den nach den Rauchgäsfiltern noch vorhandenen Ascheteilchen die für die Beschaufelung der Turbine besonders erosiven Schlackenpartikel, was die Betriebszeit der Turbine erheblich verlängert.
Die vorliegende, im Patentanspruch 1 definierte Erfindung entstand aus der Aufgabe, ein Luftspeichergasturbinenkraftwerk mit einer Wirbelbettfeuerung zu schaffen, welche eine Einrichtung aufweist, durch welche die beim Anfahren und Abstellen auftretenden thermischen Beanspruchungen und Verluste gegenüber konventionellen Anlagen verringert werden und die eine höhere Belastungsgeschwindigkeit bei der Umschaltung von Verdichterbetrieb auf Stromerzeugungsbetrieb erlaubt, indem die Wirbelbettfeuerung während des Verdichterbetriebs und sonstiger, zumindest kürzerer Betriebspausen auf wirtschaft liche Weise weiter aufrechterhalten werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemässes Luftspeichergasturbinenkraftwerk in der einfachsten Form,
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Fig. 2 das Schema einer praxisgerechten Ausführung des Erfindungsgegenstandes, und die
Fig. 3 eine weitere praxisgerechte Variante.
Bei der Anlage nach Fig. 1 bezeichnet 1 einen Verdichter, 2 eine Turbine und 3 eine als Motor und Generator betreibbare elektrische Maschine einer Gasturbogrupppe mit Luftspeicherung. Die Wellen dieser drei Komponenten können durch Schaltkupplungen 4 bzw. 5 in und ausser Antriebsverbindung gebracht werden, um auf bekannte Weise die Anlage als Gasturbine mit stromerzeugendem Generator 3 und dem Verdichter 1 als alleinigem Luftlieferanten, im Speicherladebetrieb mit abgekuppelter und stillgesetzter Turbine 2 und als Motor geschalteter und mit dem Verdichter gekuppelter elektrischer Maschine sowie als ausschliesslich aus der Luftspeicherkaverne 6 gespeiste Gasturbine mit angekuppeltem Generator 3 und abgekuppeltem Verdichter 1 betreiben zu können. Daneben gibt es noch die in der Einleitung erwähnte Möglichkeit des gemischten Gasturbinen- und Speicherbetriebes, bei dem die Turbine 2 bei Teillast arbeitet und der Verdichter 1 Luft in die Speicherkaverne 6 pumpt.
Der Verdichter 1 ist mit der Speicherkaverne 6 und mit einer Wirbelbettbrennkammer 7 durch eine Hauptluftleitung 8 verbunden, die zwei Absperrorgane 9 und 10 sowie ein Drosselorgan 11 aufweist.
Zwischen dem Absperrorgan 10 nach dem Verdichter 1 und dem Absperrorgan 9 vor der Speicherkaverne 6 zweigt aus dem Teil der Hauptluftleitung, der Verdichter 1 und Kaverne 6 verbindet, ein Leitungszweig ab, der in die Wirbelbettbrennkammer führt und das Drosselorgan 11 enthält.
Soweit entspricht die Anlage dem bekannten Stand der Technik. Das erfindungsgemässe Hauptmerkmal besteht nun in einer Schwachlastluftleitung 12, die an einer Anzapfstelle 13 des Verdichters 1 Luft mit einem Zwischendruck abzweigt, der ausreicht, um die Wirbelbett feuerung mit minimalem Brennstoffaufwand und entsprechend reduzierter Leistung der Turbine aufrechtzuerhalten. In der Schwachlastluftleitung 12 ist ein Absperrorgan 14 vorhanden.
Wenn die Anlage Strom im Speicherbetrieb mit Luftentnahme ausschliesslich aus der Speicherkaverne 6 erzeugt, so ist der Verdichter durch Lösen der Kupplung 5 und Schlies sen der Absperrorgane 10 und 14 stillgesetzt. Das Absperr organ 9 und das Drosselorgan 11 sind geöffnet, die Speicherluft gelangt über die offenen Zweige der Hauptluftleitung 8 in die Wirbelbettbrennkammer 7, deren heisse Rauchgase zur Arbeitsleistung in die Turbine geleitet und entspannt und danach durch die Abgasleitung 15 abgeführt werden. Die Turbine hat dabei nur den Generator anzutreiben, der elektrische Leistung ins Netz liefert.
Die Regelung der Turbinenleistung erfolgt bei dieser Betriebsart durch das Drosselorgan 11. Durch Drosseln sinkt der Druck in der Brennkammer 7 und vor dem Turbineneintritt. Die Auftriebsverhältnisse im Wirbelbett und damit die Betthöhe bleiben dabei aber im wesentlichen konstant, wenn die Bettmasse, die zu ca. 99 % aus nichtbrennbarer Asche besteht, durch der Drosselung entsprechenden teilweisen Austrag in einen nicht dargestellten Aschepuffer dem Druck im Wirbelbett proportional nachgefahren wird. Es ist deshalb möglich, die thermisehe Leistung bei nahezu konstanter Temperatur allein durch das Druckniveau zu steuern, d.h., die thermische Leistung ändert sich nahezu proportional dem Druck.
Beim Uebergang von diesem Leistungsbetrieb auf Pumpbetrieb wird der Verdichter an die als Motor geschaltete elektrische Maschine 3 angekuppelt und hochgefahren. Ueber die Hauptluftleitung 8 fördert er bei offenen Absperrorganen 9 und 10 Druckluft in die Speicherkaverne Um den Pumpbetrieb ausschliesslich durch billige elektrische Ueberschussenergie durchführen zu können, müsste die Luftlieferung in die Wirbelbettbrennkammer 7 durch Schliessen des Drosselorgans 11 unterbunden und die Turbine vom Motor 3 abgekuppelt und stillgesetzt werden. Das Wirbelbett würde dabei aber zusammensacken und für ein schnelles Umschalten auf den oben beschriebenen VoIlleistungsbetrieb, bei dem die Wirbelbettbrennkammer auf hohen Druck aufgeladen ist, oder auch für reinen Gasturbinenbetrieb nicht mehr verfügbar sein.
Mit der Schwachlastluftleitung 12 ist es aber nun möglich, die Feuerung des Wirbelbettes bei einem tiefen Druckniveau und entsprechend geringem Kohleverbrauch, etwa bei 10 % des Nominalverbrauches, weiter zu betreiben. Die dafür erforderliche Luftmenge wird bei geöffnetem Absperrorgan 14 durch Abzapfung aus dem Verdichter an einer Stelle 13 erhalten, an der der Zwischendruck ohne grosse Drosselung für die Aufrechterhaltung eines brauchbaren Wirbelbettes gerade noch ausreicht. Die dafür erforderliche Brennstoffenergie wird in der Turbine, die durch entsprechende Mittel, wie verstellbare Leitschaufeln oder dergleichen, zur wirkungsvollen Verarbeitung auch kleiner Rauchgasmengen eingerichtet ist, bei Ankupplung an den Motor 3 mit annehmbarem Wirkungsgrad in zusätzliche Pumparbeit des Verdichters umgesetzt. Diese wird, abgesehen von den verhältnismässig niedrigen Investitionskosten für die Schwachlasteinrichtung, auf wirtschaftliche Weise durch nur geringe zusätzliche Brenn-
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stoffkosten erkauft. Bezogen auf die spezifische Pumparbeit sind sie nur unwesentlich höher als die Kosten für den billigen Pumpstrom.
Für einen Dauerbetrieb in dieser Weise wäre die Schaltkupplung 4 zwischen der Turbine und dem Generator/Motor überflüssig. Sie ist jedoch wirtschaftlich vorteilhaft, indem sie gestattet, bei längeren Pumpenbetriebszeiten, z.B. über Wochenenden, die Feuerung abzustellen und die Turbine durch Trennen der Kupplung 4 und Schliessen der Schwachlastzufuhr stillzusetzen.
Anhand der Ausführung nach Fig. 1 wurden vorstehend das Prinzip und die Möglichkeiten eines erfindungsgemässen Luftspeichergasturbinenkraftwerks mit kontinuierlicher Wirbelschichtfeuerung beschrieben. Die Fig. 2 zeigt das Schema einer solchen Kraftwerksanlage mit den wichtigsten, für einen praktischen, ökonomischen Betrieb erforderlichen Nebeneinrichtungen für die Wärmerückgewinnung, die Rauchgasreinigung und die Synchronisierung der elektrischen Maschine 3. Soweit in diesem Schema die Elemente mit jenen der Fig. 1 übereinstimmen, sind ihnen auch die gleichen Bezugszahlen zugeordnet.
Verdichter und Turbine sind hier zweistufig. Die Nieder druckstufen sind mit IN bzw. 2N und die Hochdruckstufen mit IH bzw. 2H bezeichnet. Eine Schaltkupplung 16 zwisehen den beiden Turbinenstufen 2H und 2N ermöglicht es, sie gemeinsam oder unabhängig voneinander zu betrei ben. Zwischen dem Generator/Motor 3 und der Hochdruckverdichterstufe IH ist bei dieser Anlage anstelle einer Schaltkupplung 5 nach Fig. 1 ein leicht ins Schnelle übersetzender, mechanisch verriegelbarer hydraulischer Drehmomentwandler 17 vorgesehen. Dieser ermöglicht es,
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bei der Umstellung von der Betriebsart "Stromerzeugung mit Speicherluft", während der der Verdichter abgekuppelt ist, auf reinen Speicherbetrieb oder Gasturbinenbetrieb, den Verdichter 1N+1H aus dem Stillstand auf die Nenndrehzahl zu bringen, indem der Verdichter bei geschlossenem Absperrorgan 10 im Ausblasebetrieb bei stark reduzierter Leistungsaufnahme hochgezogen, synchronisiert und durch mechanische Verriegelung des Drehmomentwandlers mit der Welle des Generators 3 starr gekuppelt wird.
Sodann kann die Speicherluftzufuhr zur Turbine abgestellt und die Turbine bei reinem Speicherbetrieb durch die Schwachlastluftleitung 12 oder bei Gasturbinenbetrieb bei geschlossenem Absperrorgan 9 sowie offenem Drosselorgan 11 mit direkt vom Verdichter 1N+1H gelieferter Luft betrieben werden. Dieses Verfahren ermöglicht einen verhältnismässig schnellen Uebergang vom Speicherbetrieb auf die anderen Betriebsweisen.
Ohne einen solchen Wandler würde der Uebergang viel langer dauern. Zunächst müsste dann nämlich die elektrische Maschine mit angekuppelter Turbine durch Abstellen der Speicherluft auf etwa die Turndrehzahl herunter verzögert werden, dann bei dieser Drehzahl durch die Schaltkupplung der Verdichter starr angekuppelt und sodann die ganze Gruppe mit Speicherluft bis zur Synchrondrehzahl des Generators hochgefahren werden. Nach Parallelschaltung des Generators an das Netz würde dann die Speicherluftzufuhr abgestellt werden. Somit wäre wegen der Notwendigkeit des Stillsetzens der Turbinenstufen auch ein Zusammensinken des Wirbelbettes in Kauf zu nehmen. Ein Schwachlastbetrieb wäre also ohne Drehmomentwandler nicht möglich.
Ein Zwischenkühler 18 zwischen den Verdichterstufen IN und IH vermindert die Leistungsaufnahme der letzteren. Die Luft wird in der Niederdruckstufe IN vor dem Zwischenkühler auf einen für einen günstigen Schwachlastbetrieb günstigen Druck verdichtet, d.h., auf etwa 3-4 bar. Die weitere Verdichtung auf den Speicherdruck, z.B. 40 bar, erfolgt ohne weitere Zwischenkühlung. Um aber zwecks bestmöglicher Nutzung des teuren Kavernenvolumens eine möglichst hohe Dichte der Speicherluft zu erhalten, wird ihre Verdichtungswärme zur Vorwärmung der aus dem Speicher in die Feuerung strömenden Luft benutzt, und zwar in einem Gegenstromwärmetauscher 19. Die dort angegebene Wärme wird durch Umpumpen des Wasserinhaltes gegen den Uhrzeigersinn durch eine Pumpe 21 in einen Heisswasserspeicher 20 eingebracht. Bei Luftentnahme aus der Speicherkaverne zum Betrieb der Turbine wird die Luft durch Umwälzen des Wassers im Uhrzeigersinn durch die Pumpe 22 wieder vorgewärmt. Die aus den Elementen 19-22 bestehende Einrichtung stellt also einen Regenerator dar. Die horizontale Schraffur bedeutet Kaltwasser, die vertikale Schraffur Heisswasser.
Während aus wirtschaftlichen Gründen der Speicherdruck in der Kaverne hoch sein soll, z.B. 40 bar, liegt das günstige Druckniveau für die Wirbelbettbrennkammer aus baulichen und festigkeitsmässigen Gründen wesentlich tiefer, z.B. bei etwa 10 bar. Die Wärmeabgabe in der Wirbelbettbrennkammer erfolgt daher für die Hochdruck- und die Niederdruckturbinenstufe 2H bzw. 2N getrennt, und zwar wird die Hochdruckturbinenstufe 2H von reiner Luft durchströmt, die in einem Erhitzerrohrbündel 23 aufgeheizt und durch die Heissluftleitung 8H der Stufe 2H zugeführt wird, wogegen die Niederdruckturbinenstufe 2N das im Wirbelbett erzeugte Rauchgas verarbeitet. Die
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in der Hochdruckturbinenstufe 2H entspannte Heissluft wird durch eine Niederdruckheissluftleitung 8N zur Verbrennung der Kohle in die Wirbelbettbrennkammer 7 geleitet und erzeugt darin die Rauchgase für die Turbinenstufe 2N. Diese gelangen durch eine Rauchgasleitung zunächst in einen Abscheidezyklon 25, wo die Ascheteilchen weitgehend abgeschieden werden, bevor sie in die Niederdruckturbinenstufe 2N eintreten.
Um nun bei einem kurzzeitigen Speicherbetrieb die Wirbel bettfeuerung weiterzuführen, wird bei geschlossenem Absperrorgan 11 und offenen Absperrorganen 9 und 10 durch die Schwachlastluftleitung 12 hinter der Niederdruckverdichterstufe IN ein Teil der Niederdruckluft in den vor dem Erhitzerrohrbündel 23 liegenden Teil der Hauptluftleitung 8 abgezweigt. Die so abgezweigte Schwachlastluft beläuft sich auf etwa 10 % des Durchsatzes der Niederdruckverdichterstufe IN, während der grössere Teil des Durchsatzes, also ca., 90 °ό, über den Zwischenkühler 18 und die Hochdruckverdichterstufe IH in die Speicherkaverne 6 gelangt. Damit wird der Druck am Eintritt in die Hochdruckturbinenstufe um etwa einen Faktor 10 gesenkt, z.B. von 40 auf 4 bar, wobei sich dann bei gleichbleibendem Druckverhältnis und damit gleichbleibendem inneren Turbinenwirkungsgrad der Hochdruckturbinenstufe 2H in der Wirbelbettbrennkammer ein Druck von etwas oberhalb 1 bar einspielt. Die Niederdruckturbinenstufe 2N ist am Schwachlastbetrieb nicht beteiligt. Sie ist stillgesetzt, indem die Schaltkupplung 16 zwischen den beiden Turbinenstufen gelöst wird und die Rauchgase aus der Brennkammer 7 nach dem Abscheidezyklon 25 über eine Schwachlastbypassleitung 26 mit einem bei Schwachlast geöffneten Schwachlastbypassventil 27 an der Turbinenstufe 2N vorbei in die Abgasleitung abströmen.
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Auf diese Weise werden die noch etwa zehn Prozent der Nennleistung, die bei der unter etwa atmosphärischem Druck ablaufenden Wirbelbettverbrennung für den Schwachlastbetrieb aufgewandt werden, optimal in Antriebsleistung für den Verdichter umgesetzt. Die Hochdruckturbine überträgt diese Zusatzleistung auf die als Synchronmotor arbeitende elektrische Maschine 3 über die als Ueberholkupplung ausgebildete Schaltkupplung 4.
Eine weitere Schaltungsmöglichkeit für die Durchführung eines solchen Schwachlastbetriebes der Wirbelbettfeuerung während des Pumpbetriebes zeigt die schematisch dargestellte Anlage nach Fig. 3. Soweit deren Elemente mit jenen der vorgehend beschriebenen Anlagen übereinstimmen, sind ihnen wiederum die gleichen Bezugszahlen zugeordnet. Neue Elemente sind hier weitere Zwischenkühler 28 in der Hochdruckverdichterstufe IH, eine Schwachlastheissluftleitung 29, die nach dem Erhitzerrohrbündel 23 auscfer Heissluftleitung 8H mit einem Regelorgan 30 abzweigt und zu einer Schwachlastturbine 31 führt, die mit einem Generator 32 gekuppelt ist. Der Auslass der Turbine 31 ist mit der Wirbelbettbrennkammer 7 durch eine Niederdruckschwachlastheissluftleitung 33 verbunden. In der Hauptluftleitung 8 befindet sich ein Rekuperator 34 zur Vorwärmung der Verbrennungsluft sowohl für den Turbinenbetrieb als auch für den Schwachlastbetrieb. Primärseitig liegt dieser Rekuperator, der bei dieser Schaltungsvariante den aufwendigen Regenerator 19-22 gemäss Fig. 2 ersetzt, in der Abgasleitung 15. In dem in die Speicherkaverne 6 abzweigenden Teil der Hauptluftleitung 8 befindet sich vor dem Absperrorgan 9 ein Speicherluftkühler 35. Zwischen den zwei Turbinenstufen 2H und 2N ist bei dieser Anlage keine Kupplung vorgesehen. Sie sind starr miteinander gekuppelt
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Bei einem Schwachlastbetrieb wird wiederum wie bei der Ausführung nach Fig. 2 Schwachlastluft hinter der Niederdruckverdichterstufe IN entnommen und bei geöffnetem Absperrorgan 14 durch die Schwachlastluftleitung 12 der Hauptluftleitung 8 zugeführt. Sie durchströmt dann das Erhitzerrohrbündel 23 und gelangt anschliessend mit hoher Temperatur bei offenem Regelorgan 30 durch die Schwachlastheissluftleitung 29 in die Schwachlastturbine 31, die den Generator 32 antreibt. Der won diesem erzeugte Strom wird dem Netz oder auch direkt der elektrischen Maschine 3 zugeführt.
Die in der Schwachlastturbine 31 auf leicht über Atmosphärendruck entspannte Schwachluft gelangt über die Niederdruckschwachlastheissluftleitung 33 in die Wirbelbettbrennkammer 7 und verlässt das Wirbelbett als Rauchgas über die Rauchgasleitung 24, den Zyklon 25 und die Schwachlastbypassleitung 26 bei offenem Schwachlastbypassventil 27 und mündet in die Abgasleitung 15. Die zwei Turbinenstufen 2H und 2N sind dabei durch Schliessen von ihnen vorgeschalteten Absperrorganen 36 bzw. 37 stillgelegt. Durch Lösen der Schaltkupplung 4 ist die Turbine 2H+2N von der elektrischen Maschine 3 getrennt. Der Verdichter 1N+1H wird also nur durch die als Motor fungierende elektrische Maschine 3 angetrieben.
Eine thermodynamische Verbesserung der Anlage gegenüber jener nach Fig. 2 besteht darin, dass die Hochdruckverdichterstufe IH wegen der Zwischenkühler 28 weniger Leistung aufnimmt. Die dadurch nur noch relativ niedrige Verdichterendtemperatur wird vor dem Eintritt der Speicherluft in die Kaverne 6 im Speicherluftkühler 35 noch weiter heruntergesetzt, so dass in der Kaverne ein grosses Luftgewicht gespeichert werden kann.
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Die Vorwärmung der Verbrennungsluft für den Turbinenbetrieb und den Schwachlastbetrieb erfolgt im Rekuperator 34. Für den Schwachlastbetrieb ist der Rekuperator zu gross, so dass sich die durch die Abgasleitung 15 austretenden Rauchgase zu stark abkühlen würden, falls die vorzuwärmende Schwachlastluft zu kalt wäre. Diese wird daher am Austritt der Niederdruckverdichterstufe IN vor dem Zwischenkühler 18 abgezapft, wo die Luft genügend warm ist, um ein Absinken der Rauchgastemperatur im Rekuperator unter den Taupunkt zu verhindern.
Eine Verminderung des Schwachlastbrennstoffverbrauches wird erreicht durch Drosselung des Drucks vor der Schwachlastturbine 31 so weit, dass die dadurch verringerte Strömungsgeschwindigkeit im Wirbelbett dessen Höhe vom Nominalwert Ho auf den kleinstzulässigen Wert H . ab-
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sinken lässt. Dadurch wird das aus dem Wirbelbett mit einer Temperatur von ca. 85O0C austretende Rauchgas durch den nun oben weiter freiliegenden Teil des Erhitzerrohrbündels 23 durch die im Gegenstrom geführte Schwachlastluft stärker abgekühlt, was sich auf den Rekuperator 35 günstig auswirkt. Dieser wird dadurch im Schwachlastbetrieb durch das gleiche, für ferritischen Stahl zulässige Temperaturniveau beansprucht wie beim Leistungs— betrieb durch die in der Niederdruckturbinenstufe 2N entspannten Rauchgase.
Während längerer Betriebspausen zwischen Pump- und Leistungsbetrieb wird die Wirbelbettfeuerung durch Entnahme von Schwachlastluft aus der Speicherkaverne 7 bei stark gedrosseltem Absperrorgan 9 aufrechterhalten.

Claims (4)

  1. '9/84
    •71
    Patentansprüche
    / 1.JLuftspeichergasturbinenkraftwerk mit Wirbelbettfeue- \^y rung, deren Gasturbogruppe eine Turbine (2; 2H+2N), einen Verdichter (1; 1N+1H) und eine als Generator oder Elektromotor betreibbare elektrische Maschine (3) aufweist, wobei zwischen Turbine und elektrischer Maschine sowie zwischen letzterer und Verdichter je eine Schaltkupplung (4, 5; 4, 17) vorhanden ist, mit einer Luftspeicherkaverne (6) und einer kohlegefeuerten Wirbelbettbrennkammer (7), die durch eine Rauch-IQ gasleitung (24) mit der Turbine verbunden ist, ferner mit einer Hauptluftleitung (8+8H+8N), die den Verdichter (1;*1N+1H) mit der Luftspeicherkaverne (6) und der Wirbelbettbrennkammer (7) verbindet, mit je einem Absperrorgan (10 bzw. 9) nach dem Verdichter und vor der Luftspeicherkaverne und einem Drosselorgan (11) vor der Wirbelbettbrennkammer, sowie mit einem Abscheidezyklon (25) in der Rauchgasleitung (24) zwischen der Wirbelbettbrennkammer (7) und der Turbine (2; 2H+2N), gekennzeichnet durch eine Schwachlastluftleitung (12), die eine Anzapfstelle am Verdichter (1; 1N+1H) mit dem zwischen dem Drosselorgan (11) und der Wirbelbettbrennkammer (7) liegenden Abschnitt der Hauptluftleitung (8) verbindet, sowie durch ein Absperrorgan (14) in der Schwachlastluftleitung (12).
  2. 2. Luftspeichergasturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, mit einem Verdichter, der eine Niederdruckverdichterstufe (IN), eine Hochdruckverdichterstufe (IH) und einen Zwischenkühler (18) aufweist, und wobei die Turbine in eine Hochdruckturbinenstufe (2H) und eine Niederdruckturbinenstufe (2N) unterteilt ist, dadurch
    gekennzeichnet, dass die Schaltkupplung zwischen der elektrischen Maschine (3) und dem Verdichter (1N+1H) ein mechanisch verriegelbarer hydraulischer Drehmomentwandler (17) ist, dass zwischen der Hochdruckturbinenstufe (2H) und der Niederdruckturbinenstufe (2N) eine mechanische Schaltkupplung (16) vorhanden ist, dass die Schwachlastluftleitung (12) vor dem Zwischenkühler (18) des Verdichters (1N+1H) abzweigt, dass die Hauptluftleitung (8) in ein Erhitzerrohrbündel (23) übergeht, das sich in der Wirbelbettbrennkammer (7) befindet und von der Verdichterluft gegensinnig zur Durchströmung des Wirbelbettes durchströmt wird, dass das Erhitzerrohrbündel (23) durch eine Heissluftleitung (8H) mit der Hochdruckturbinenstufe (2H) leitend verbunden ist, dass der Austritt der Hochdruckturbinenstufe (2H) durch eine Niederdruckheissluftleitung (8N) mit dem Boden der Wirbelbettbrennkammer (23) leitend verbunden ist, dass die Wirbelbettbrennkammer (7) durch eine über einen Abscheidezyklon (25) geführte Rauchgasleitung (24) mit der Niederdruckturbinenstufe (2N) leitend verbunden ist, dass der Abscheidezyklon (25) mit der Abgasleitung (15) der Niederdruckturbinenstufe (2N) durch eine Schwachlastbypassleitung (26) leitend verbunden ist, dass die Schwachlastbypassleitung (26) ein Schwachlastbypassventil (27) aufweist, und dass in der Hauptluftleitung (8) vor dem Absperrorgan (9) für die Luftspeicherkaverne (6) ein Regenerator vorgesehen ist, dessen Hauptteile ein Gegenstromwärmetauscher (19), ein Heisswasserspeicher (20) und je eine Pumpe (21; 22) zum Umwälzen des Wasserinhalts des Regenerators in einander abwechselnd entgegengesetzten Strömungsrichtungen sind.
  3. 3. Luftspeichergasturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, mit einem Verdichter, der eine Niederdruckverdichterstufe (IN), eine Hochdruckverdichterstufe (IH) und einen Zwischenkühler (18) aufweist, und wobei die Turbine in eine Hochdruckturbinenstufe (2H) und eine Niederdruckturbinenstufe (2N) unterteilt ist, die auf einer gemeinsamen Welle sitzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkupplung zwischen der elektrischen Maschine (3) und dem Verdichter (1N+1H) ein mechanisch verriegelbarer hydraulischer Drehmomentwandler (17) ist, dass die Hauptluftleitung (8) in ein Erhitzerrohrbündel (23) übergeht, das sich in der Wirbelbettbrennkammer (7) befindet und von der Verdichterluft gegensinnig zur Durchströmung des Wirbelbettes durchströmt wird, dass das Erhitzerrohrbündel (23) durch eine Heissluftleitung (8H) mit der Hochdruckturbinenstufe (2H) leitend verbunden ist, dass der Austritt der Hochdruckturbinenstufe (2H) durch eine Niederdruckheissluftleitung (8N) mit dem Boden der Wirbelbettbrennkammer (23) leitend verbunden ist, dass die Wirbelbettbrennkammer (7) durch eine über einen Abscheidezyklon (25) geführte Rauchgasleitung (24) mit der Niederdruckturbinenstufe (2N) leitend verbunden ist, dass der Abscheidezyklon (25) mit der Abgasleitung (15) der Niederdruckturbinenstufe (2N) durch eine Schwachlastbypassleitung (26) leitend verbunden ist, dass die Schwachlastbypassleitung (26) ein Schwachlastbypassventil (27) aufweist, gekennzeichnet durch Zwischenkühler (28) in der Hochdruckverdichterstufe (IH), durch eine Schwachlastturbine (31) mit einem Generator (32), eine Schwachlastheissluftleitung (29) mit einem Regelorgan (30), welche die Heissluftleitung (8H) mit der Schwachlastturbine (31) verbindet, eine Niederdruckschwachlast-
    79/84
  4. 4.
    heissluftleitung (33) zwischen dem Austritt der Schwachlastturbine (31) und dem Boden der Wirbelbettbrennkammer (7), Absperrorgane (36; 37) in der Heissluftleitung (8H) vor der Hochdruckturbinenstufe (2H) bzw. in der Rauchgasleitung (24) vor der Niederdruckturbinenstufe (2N), einen Speicherluftkühler (35) vor dem Absperrorgan (9) für die Luftspeicherkaverne (6), und einen Rekuperator (34) in der Abgasleitung (15) zum Vorwärmen der Hochdruckluft in der Hauptluftleitung (8).
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