DE102004034657A1

DE102004034657A1 - Power plant has gas turbo group in combination with compressed gas storage to achieve temporary power increase

Info

Publication number: DE102004034657A1
Application number: DE102004034657A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Althaus; Martin Koller; Karl Wiederhold
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2005-02-03

Abstract

The standard gas turbo group (1) is combined with a compressed gas storage (4) and means to lead the gas mass flow into the gas flow path downstream of the compressor (3). Preferably air is used as the compressed or storage gas instead of water or steam. Since no water is used it is possible to install this arrangement in areas with water shortages.

Description

Technisches Gebiettechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage, insbesondere zur Stromerzeugung, sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren.The The present invention relates to a power plant, in particular for power generation, as well as an associated operating method.

Stand der TechnikState of technology

Die Deckung von Spitzenlastbedarf, die bloße Vorhaltung von Kapazitäten zur schnellen Leistungsbereitstellung sowie die Bereitstellung der Fähigkeit zur Blindleistungsregelung stellen in den heutigen Strommärkten lukrative Einnahmequellen dar. Hierzu werden einerseits Anlagen etwas unterhalb ihrer Volllastleistung betrieben, was allerdings in einem dauerhaft nicht optimalen Wirkungsgrad und einer ebenfalls suboptimalen Resourcen- und Kapitalnutzung resultiert. Sehr attraktiv sind daher Kraftwerksanlagen, welche eine temporäre Leistungssteigerung bei leicht vermindertem Wirkungsgrad ermöglichen.The Covering peak demand, the mere provision of capacity for fast service delivery as well as providing the capability For reactive power control in today's electricity markets lucrative For this purpose, on the one hand, investments are slightly below their Full-load power operated, but in a durable not optimal efficiency and also suboptimal resource and capital usage results. Very attractive are therefore power plants, which is a temporary one Increase performance with slightly reduced efficiency.

Grundsätzlich kann die Leistungsabgabe von Gasturbogruppen erhöht werden, indem Wasser und/oder Dampf in den Heissgaspfad der Gasturbogruppe stromab des Verdichters eingebracht wird. hierdurch erhöhen sich der Massenstrom durch die Turbine und das Druckverhältnis, was in einer Steigerung der Netto-Leistungsabgabe der Gasturbogruppe resultiert, da der Zusatz-Massenstrom nicht vom Verdichter komprimiert werden muss. Nachteilig zeigt sich hierbei der Verbrauch an demineralisiertem Wasser, welches erst bereitgestellt werden muss, was, je nach Standort und Ausführung der Kraftwerksanlage, einen erheblichen Anlagenaufwand für die Wasseraufbereitung oder auch logistischen Aufwand für die Bereitstellung von Rohwasser bedingt, weshalb die Wasser- und/oder Dampfeinspritzung nicht immer unproblematisch als Mittel zur Leistungssteigerung eingesetzt werden kann.Basically The output of gas turbine groups can be increased by adding water and / or Steam in the hot gas path of the gas turbine group downstream of the compressor is introduced. thereby increase the mass flow through the turbine and the pressure ratio, what in an increase in the net output of the gas turbine group results because the additional mass flow is not compressed by the compressor must become. The disadvantage here is the consumption of demineralized water, which must first be provided, which, depending on location and execution the power plant, a considerable investment in water treatment or logistical effort for the provision of raw water conditionally, which is why the water and / or Steam injection is not always a problem as a means to increase performance can be used.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftwerksanlage und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden vermögen.Here The invention aims to remedy this. The marked in the claims Invention is based on the object, a power plant and a Specify method of the type mentioned, which disadvantages of the prior art assets to avoid.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These The object is achieved by the objects the independent one claims solved. Advantageous embodiments are the subject of the dependent Claims.

Kern der Erfindung ist es also, einer herkömmlichen Standard-Gasturbogruppe einen Druckgasspeicher nebenzuordnen und Mittel vorzusehen, stromab des Kompressors einen Gasmassenstrom aus dem Druckgasspeicher in den Strömungsweg der Gasturbogruppe einzuleiten. Als Druckgas oder Speichergas wird vorzugsweise Luft verwendet.core Thus, it is the invention of a conventional standard gas turbine group to allocate a compressed gas reservoir and to provide means downstream of the compressor, a gas mass flow from the compressed gas storage in the flow path of Gas turbine group initiate. As the compressed gas or storage gas is preferably Air used.

In einer ersten Ausführungsform erfolgt diese Einleitung des Druckgases bzw. der Druckluft stromab des Verdichters und stromauf einer Brennkammer oder einer anderen Einrichtung zur Wärmezufuhr. Alternativ oder zusätzlich kann Gas oder Luft aus dem Speichervolumen über ein Kühlgas- bzw. Kühlluftsystem eingeleitet werden, aus dem es dann in den Strömungsweg der Gasturbogruppe einströmt. Dabei wird die gesamte oder ein Teil des Kühlgases bzw. der Kühlluft aus dem Speichervolumen bereitgestellt und muss also nicht mehr vom Verdichter verdichtet werden, wodurch entweder die Leistungsaufnahme des Verdichters vermindert wird oder eine zusätzlich Gasmenge, welche nicht mehr als Kühlgas verwendet wird, dem Gasturbinenprozess zur Verfügung steht. Dabei kann sich das gegenüber Verdichter-Anzapfgas kühlere Gas aus dem Speichervolumen für die Kühlung und/oder den erhöhten Massenstrom als vorteilhaft erweisen. In einer Ausführungsform umfasst das Kühlgassystem Kühlgaskühler für Verdichteranzapfgas, die temporär außer Betrieb genommen werden, während das Gas aus dem Speichervolumen auf geeignete Weise, beispielsweise durch die Nutzung von Abgaswärme der Gasturbogruppe, auf die Temperatur des im Kühlgaskühler gekühlten Verdichteranzapfgases gebracht wird. Prinzipiell ist es auch möglich, die niedrige Temperatur des gespeicherten Gases für eine Senkung des erforderlichen Kühlgasmassenstroms zu nutzen, falls dies unter Berücksichtigung thermischer Spannungen in den gekühlten Bauteilen zulässig ist.In a first embodiment This introduction of the compressed gas or the compressed air is downstream of the compressor and upstream of a combustion chamber or other Device for heat supply. Alternatively or in addition can gas or air from the storage volume via a cooling gas or cooling air system be introduced, from which it then into the flow path of the gas turbine group flows. there is the whole or part of the cooling gas or the cooling air from the storage volume provided and must therefore no longer from the Compressors are compressed, reducing either the power consumption of the compressor is reduced or an additional amount of gas, which is not used more as a cooling gas is available to the gas turbine process. It can be the opposite Compressor bleed gas cooler Gas from the storage volume for the cooling and / or the heightened Mass flow prove beneficial. In one embodiment includes the cooling gas system Coolant gas cooler for compressor gas, the temporary except To be taken in operation while the gas from the storage volume in a suitable manner, for example by the use of exhaust heat the gas turbine group, to the temperature of cooled in the cooling gas cooler Verdichteranzapfgases is brought. In principle it is also possible to use the low temperature of the stored gas for to use a reduction of the required cooling gas mass flow, if this is under consideration thermal stresses in the cooled components is allowed.

Bevorzugt wird die Wärmezufuhr zum Arbeitsmittel der Gasturbogruppe auf eine Konstanthaltung der Turbineneintrittstemperatur geregelt, vorzugsweise auf eine Vollast-Turbineneintrittstemperatur.Prefers will heat up to work equipment of the gas turbine group on a constant maintenance of Turbine inlet temperature regulated, preferably to a full load turbine inlet temperature.

Gemäß einer ersten Betriebsweise der erfindungsgemässen Kraftwerksanlage wird das zusätzliche Gas genutzt, um den durch die Wärmezuführeinrichtung und die Turbine durchgesetzten Massenstrom zu erhöhen. Hieraus resultiert eine größere Leistungsabgabe der Turbine. Der Verdichter muss dabei keinen höheren Massenstrom durchsetzten, sondern lediglich ein erhöhtes Druckverhältnis liefern, weshalb dessen Leistungsaufnahme unterproportional ansteigt, woraus eine erhöhte Netto-Leistungsabgabe erfolgt.According to one first mode of operation of the inventive power plant is the extra Gas used by the heat supply system and to increase the turbine's enforced mass flow. From this results in a larger power output the turbine. The compressor must not enforce a higher mass flow, but provide only an increased pressure ratio, why its power consumption increases disproportionately, from what an increased Net power output takes place.

Gemäss einer zweiten Betriebsweise wird eine verstellbare Vorleitreihe des Verdichters teilweise geschlossen, dergestalt, dass der Verdichter weniger Massenstrom fördern muss, während durch die Zufuhr des zusätzlichen Gases aus dem Speichervolumen der Massenstrom durch die Wärmezuführeinrichtung und die Turbine wenigstens konstant gehalten wird. Bei dieser Betriebsweise bleibt die Leistungsabgabe der Turbine wenigstens gleich hoch, während die Leistungsaufnahme des Verdichters sinkt. Daraus resultiert wiederum eine grössere Netto-Leistungsabgabe. Typischerweise ist es realisierbar, den Massenstrom des Verdichters um rund 20% bis 40% oder gar 50% bei nominalem Verdichterenddruck zu reduzieren und diesen Massenstrom durch Zusatzgas aus dem Speicher zu ersetzen.According to a second mode of operation, an adjustable Vorleitreihe the compressor teilwei se closed, such that the compressor has to promote less mass flow, while the supply of additional gas from the storage volume of the mass flow through the heat supply device and the turbine is kept at least constant. In this mode of operation, the power output of the turbine remains at least as high as the power consumption of the compressor decreases. This in turn results in a larger net output. Typically, it is feasible to reduce the mass flow of the compressor by about 20% to 40% or even 50% at nominal compressor discharge pressure and to replace this mass flow by additional gas from the memory.

In einer besonders bevorzugten Betriebsweise wird der Massenstrom durch die Wärmezuführeinrichtung konstant gehalten, mit oder ohne Zusatzgaszufuhr. Dies kann auf ganz besonders einfache Weise bewerkstelligt werden, ohne den Massenstrom explizit bestimmen zu müssen. Gemäss dem Kegelgesetz ist das Volumenstrom-Schluckvermögen der Turbine durch das Druckverhältnis bestimmt, welches sich für stationäre Kraftwerks-Gasturbinen ganz besonders einfach durch eine Messung des Verdichterenddrucks mit vernünftiger Genauigkeit bestimmen lässt. Das Massenstrom-Schluckvermögen ist zusätzlich von der Turbinen-Eintrittstemperatur abhängig. Diese wird auf dem Fachmann geläufige Weise aus dem Druckverhältnis und der Turbinenaustrittstemperatur ermittelt. Es kann damit auf folgende sehr einfache Weise auf eine Konstanthaltung des Turbinen-Massenstroms geregelt werden: Die Wärmezufuhr zum Arbeitsfluid der Gasturbogruppe, insbesondere also die Brennstoffzufuhr zu einer Brennkammer, wird derart eingeregelt, dass die Turbinentemperatur innerhalb sehr enger Grenzen um eine Solltemperatur verharrt. Gleichzeitig wird der Verdichterenddruck gemessen und bei Unterschreiten des Sollwertes die Vorleitreihe weiter geöffnet, während bei einem Überschreiten des Sollwertes die Vorleitreihe weiter geschlossen wird.In In a particularly preferred mode of operation, the mass flow is through the heat supply device kept constant, with or without additional gas supply. This can be up very simple way be accomplished without the mass flow to determine explicitly. According to the cone law, the volumetric flow capacity of the turbine is determined by the pressure ratio, which is for stationary Power station gas turbines very simply by a measurement the compressor discharge with reasonable Determine accuracy. The mass flow-absorbing capacity is additionally of the turbine inlet temperature dependent. This will be on the expert common way from the pressure ratio and the turbine outlet temperature determined. It can handle that following very simple way to a constant maintenance of the turbine mass flow be regulated: The heat to the working fluid of the gas turbine group, ie in particular the fuel supply to a combustion chamber is adjusted so that the turbine temperature remains within very narrow limits around a target temperature. simultaneously the compressor discharge pressure is measured and falls below the Setpoint, the preliminary row continues to open, while if exceeded of the setpoint the Vorleitreihe is further closed.

Die Leistungsregelung erfolgt bevorzugt, indem bei einer Ist-Leistung, welche kleiner ist als die Soll-Leistung, das Stellorgan zur Zufuhr von Gas aus dem Speicher zur Gasturbogruppe weiter geöffnet und umgekehrt, falls die Ist-Leistung grösser als die Soll-Leistung ist, entsprechend geschlossen wird.The Power regulation is preferably carried out by, for an actual power, which is smaller than the target power, the actuator for supply of gas from the store to the gas turbo group opened further and vice versa, if the actual performance greater as the target power is closed accordingly.

In einer anderen Betriebsweise erfolgt die Leistungsregelung durch das Schliessen der Vorleitreihe, während vorzugsweise durch die Steuerung des Massenstroms vom Druckgasspeicher zur Gasturbogruppe der Verdichterenddruck konstantgehalten wird, wobei ein geringerer Massenstrom in einer Drucksenkung resultiert und ein höherer Massenstrom in einer Druckerhöhung. Eine weiter geschlossene Vorleitreihe senkt dabei die Leistungsaufnahme des Verdichters, während der nicht durch den Verdichter geförderte Massenstrom aufgrund der Druckregelung durch den Massenstrom aus dem Druckgasspeicher exakt kompensiert wird, jeweils unter der Massgabe, dass die Turbineneintrittstemperatur auf Konstanthaltung geregelt wird.In another mode of operation, the power control is done by the closing of the preliminary row, while preferably by the Control of the mass flow from the compressed gas storage to the gas turbine group the compressor discharge is kept constant, with a lesser Mass flow results in a pressure reduction and a higher mass flow in a pressure increase. A more closed preliminary row lowers the power consumption of the Compressor while the mass flow not due to the compressor due to the pressure control by the mass flow from the compressed gas storage is exactly compensated, each under the proviso that the turbine inlet temperature Constant attitude is regulated.

Selbstverständlich sind auch kombinierte Regelungen der Zusatzgaszufuhr aus dem Druckgasspeicher und der Vorleitreihenstellung möglich; insbesondere, wenn die jeweiligen Stellgrössen-Massenstromkennlinien bekannt sind, kann eine kombinierte Steuerung vorgenommen werden in der Art "x % Öffnen des Zusatzgas-Stellorgans wird durch y % Schliessen der Vorleitreihe massenstromkompensiert, was zusammen in z Leistungssteigerung resultiert". Auf diese Weise kann bei einer gewünschten Leistungssteigerung recht schnell die Vorleitreihenstellung und die Stellung des Stellorgans für die Zusatzgaszufuhr vorgesteuert werden und es müssen nur noch geringe Abweichungen im geschlossenen Regelkreis ausgeregelt werden, was selbstverständlich eine schnellere Einstellung von Leistungswerten ermöglicht; gegebenenfalls kann auch die Wärmezufuhr zum Arbeitsfluid durch eine Störgrössenaufschaltung vorgesteuert werden, was allerdings mit Vorteil eine Messung der Temperatur des Zusatzgases und des vom Verdichter gelieferten Gases bedingt. Auf dieser Basis lässt sich dann sehr leicht eine Energiebilanz berechnen, um eine konstante Turbineneintrittstemperatur ebenfalls vorzusteuern und nur noch kleine Abweichungen vom Sollwert ausregeln zu müssen.Of course they are also combined regulations of the additional gas supply from the compressed gas storage and the Vorleitreihenstellung possible; especially, if the respective manipulated variable mass flow characteristics are known, a combined control can be made in the way "x% open the Additional gas actuator is closed by y% closing the pilot series mass-flow compensated, which together results in z power increase. "In this way can at a desired Performance increase quite fast the lead-in ranking and the position of the actuator for the additional gas supply are piloted and only minor deviations be regulated in a closed loop, which of course a allows faster adjustment of performance levels; possibly also can the heat supply to the working fluid by a Störgrössenaufschaltung be pre-controlled, which, however, with advantage a measurement of Temperature of the additional gas and the gas supplied by the compressor conditionally. On this basis lets then very easily calculate an energy balance to a constant Turbine inlet temperature also vorzusteuern and only to make small deviations from the setpoint.

In einer anderen, oben bereits angerissenen Betriebsweise bleibt die Vorleitreihe geöffnet, und durch die Zusatzgaszufuhr wird der Massenstrom durch die Turbine erhöht, was in einer erhöhten Netto-Leistungsabgabe resultiert. Die Turbineneintrittstemperatur wird wiederum mit Vorteil konstant gehalten. Die Zufuhr des Zusatzmassenstroms aus dem Speicher kann wiederum vollständig geregelt erfolgen mit der Netto-Leistungsabgabe als Leitgrösse und der Stellung des Zusatzluft-Stellorgans als Stellgrösse. Alternativ wird die Stellung des Zusatzgas-Stellorgans vorgesteuert und es bleibt nur noch eine geringe Abweichung auszuregeln, was die Reaktion auf Leistungsanforderungen beschleunigt. Ebenso kann auch die Wärmezufuhr, insbesondere Brennstoffzufuhr, vorgesteuert werden, was allerdings mit Vorteil eine Messung der Gastemperaturen bedeutet, damit jeweils die Energiebilanz zur Konstanthaltung der Turbineneintrittstemperatur sauber vorberechnet werden kann. Eine Regelung im geschlossenen Regelkreis zur Feinjustage der Betriebsbedingungen ist stets vorteilhaft. Diese Betriebsweise, bei der der Turbinen-Massenstrom angehoben wird, ist gerade dann zu bevorzugen, wenn im Abgasweg der Gasturbogruppe Einrichtungen zur Abwärmenutzung, beispielsweise ein Abhitzedampferzeuger oder ein Wärmetauscher einer nachgeordneten Heissluftturbine oder Heissgasturbine, angeordnet sind, weil deren Leistungsabgabepotenzial infolge des erhöhten Abgasmassenstroms ebenfalls steigt.In another mode, already mentioned above, the pilot row remains open, and the additional gas supply increases the mass flow through the turbine, resulting in an increased net power output. The turbine inlet temperature is again kept constant with advantage. The supply of the additional mass flow from the memory can in turn be completely regulated with the net power output as a control variable and the position of the additional air actuator as the manipulated variable. Alternatively, the position of the additional gas actuator is piloted and it remains only a small deviation ausuregeln, which accelerates the response to performance requirements. Likewise, the heat supply, in particular fuel supply, can be precontrolled, which however advantageously means a measurement of the gas temperatures, so that in each case the energy balance for keeping constant the turbine inlet temperature can be pre-calculated clean. Closed-loop control for fine adjustment of the operating conditions is always advantageous. This mode of operation, in which the turbine mass flow is increased, is just to be preferred when facilities for the use of waste heat, for example a heat recovery steam generator or a heat exchanger of a nachgeord in the exhaust path of the gas turbine group Neten hot air turbine or hot gas turbine, are arranged because their power output potential also increases due to the increased exhaust gas mass flow.

Beide Massnahmen – Erhöhung des Turbinen-Massenstroms und Verringerung des Verdichter-Massenstroms – können auch kombiniert werden. Die grösste Leistungssteigerung lässt sich selbstverständlich erreichen, wenn sowohl der Turbinen-Massenstrom erhöht als auch der Verdichter-Massenstrom vermindert wird; hierbei muss allerdings genauestens auf einen hinreichenden Abstand von der Abreissgrenze des Verdichters geachtet werden, wie unten ausgeführt.Both Measures - Increase of Turbine mass flow and reducing the compressor mass flow - can also be combined. The largest Increase in performance of course reach when both the turbine mass flow increases as well the compressor mass flow is reduced; However, this must be accurate to a sufficient Respect the distance from the tear-off of the compressor, as below executed.

Bevorzugt findet das erfindungsgemässe Verfahren dann Anwendung, wenn die Leistung der Gasturbogruppe über die Volllastleistung angehoben werden soll, wobei die Volllastleistung definiert ist als die Leistung, welche die Gasturbogruppe bei den aktuellen Umgebungsbedingungen bei vollständig geöffneter Vorleitreihe und maximaler dauerhaft zulässiger Turbineneintrittstemperatur zu leisten vermag, wobei außerdem Maßnahmen wie eine Ansaugluftkühlung oder sogenannte "Wet Compression" bereits ausgeschöpft sein können. Mit Vorteil wird die Turbineneintrittstemperatur während des gesamten derartigen Betriebes auf dem Maximalwert konstant eingeregelt, was auch zu einer bestmöglichen Ausnutzung des gespeicherten Gases beiträgt. Ein solcher Betrieb ist hervorragend geeignet, um Spitzenlastanforderungen zu decken, insbesondere in Zeiten, in denen sich Strom teuer ins Netz verkaufen lässt. Umgekehrt wird ein Zeiten geringer Stromnachfrage billig einzukaufende elektrische Leistung oder Leistung, die zwar erzeugbar ist, für die aber aktuell auf dem Markt keine Nachfrage zu adäquaten Preisen vorhanden ist, genutzt, um einen Kompressor anzutreiben und den Druckgasspeicher zu füllen.Prefers finds the method according to the invention then application when the performance of the gas turbine group over the Full load capacity should be raised, with full load capacity is defined as the power that the gas turbo group at the current ambient conditions with fully opened preliminary row and maximum permanently permissible Turbine inlet temperature is able to afford, in addition, measures like an intake air cooling or so-called "Wet Compression "already exhausted can. Advantageously, the turbine inlet temperature during the the whole of such operation is constantly adjusted to the maximum value, which also to the best possible Utilization of the stored gas contributes. Such an operation is especially suitable to meet peak load requirements, in particular in times when electricity can be sold in the network. Vice versa A times of low electricity demand will be cheap to buy electric Power or power that is producible, but for that there is currently no demand for adequate prices on the market, used to drive a compressor and the compressed gas storage to fill.

Eine weitere Möglichkeit, die die Erfindung bietet, ist die, die Gasturbogruppe mittels des im Druckgasspeicher gespeicherten Gases anzufahren. Hierzu wird die Turbine mit Druckgas beaufschlagt und der Wellenstrang mit Hilfe des Druckgases beschleunigt, bis die Gasturbogruppe in der Lage ist, sich selbst am Leben zu erhalten. Dies ermöglicht den sogenannten Schwarzstart einer Kraftwerksanlage in einem ganz und gar stromlosen Netz. im Extremfall kann auf eine herkömmliche Startvorrichtung, wie beispielsweise ein statischer Frequenzwandler, welcher einen Generator als Anfahrmotor betreibt, vollständig verzichtet werden.A another possibility which offers the invention is that, the gas turbine group by means of to start in the compressed gas storage stored gas. For this purpose is the turbine pressurized gas and the shaft train with the help of the pressurized gas accelerates until the gas turbine group is able is to keep yourself alive. This allows the so-called black start a power plant in a completely powerless network. in the Extreme case can be on a conventional one Starting device, such as a static frequency converter, which operates a generator as a starting motor, completely dispensed with become.

Es ist jeweils wichtig, die Abreissgrenze des Verdichters der Gasturbogruppe im Auge zu behalten. Im Betrieb mit Massenstromerhöhung steigt der Verdichterenddruck, und dieser muss so begrenzt werden, dass ein Sicherheitsabstand des Verdichters von der Abreissgrenze erhalten bleibt. Beim Schliessen der Vorleitreihe, mit entsprechender Massenstromreduktion, verschiebt sich die Abreissgrenze zu tieferen Drücken, was ebenfalls zu berücksichtigen ist, derart, dass die Massenstromreduktion im Verdichter durch einen Sicherheitsabstand des aktuellen Verdichterenddruckes von der Abreissgrenze begrenzt ist.It is important in each case, the tear-off of the compressor of the gas turbine group to keep an eye on. Increases during operation with mass flow increase the compressor discharge, and this must be limited so that obtained a safety distance of the compressor from the tear-off remains. When closing the preliminary row, with appropriate mass flow reduction, shifts the tear-off to lower pressures, which is also to be considered, such that the mass flow reduction in the compressor by a Safety distance of the current compressor pressure from the tear-off limit is limited.

Eine weitere Grenze des möglichen Massenstroms stellt die maximale Feuerungsleistung der Brennkammer dar. Die Schluckgrenze der Turbine wird hingegen in Anbetracht der genannten Limitierungen kaum erreicht werden.A further limit of the possible Mass flow represents the maximum firing capacity of the combustion chamber The sip limit of the turbine is, however, in view of can hardly be achieved.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further provide important features and advantages of the present invention from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures the drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,preferred embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the following description explains where like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components relate. Show, in each case schematically,

1 bis 12 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage bei unterschiedlichen Ausführungsformen. 1 to 12 in each case a greatly simplified, circuit diagram-like schematic representation of a power plant according to the invention in different embodiments.

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.For the understanding of Invention not immediately necessary elements are omitted. The embodiments are purely instructive to understand, and are not intended to be a limitation of the claims marked invention be used.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to execute the invention

Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Die dargestellte Kraftwerksanlage basiert auf einer konventionellen Gasturbogruppe 1, umfassend einen Verdichter 101, eine Brennkammer 102 und eine Turbine 103 zum Antrieb eines Generators 2. Weiterhin ist ein Verdichter 3 angeordnet, welcher von einem Elektromotor 7 antreibbar ist. Verdichter 101 und Gasturbine 103 sowie Generator 2 sind zweckmäßig durch eine gemeinsame Welle verbunden bzw. auf einen gemeinsamen Wellenstrang 104 angeordnet. Der Verdichter 3 wird bevorzugt in Zeiten geringer Elektrizitätsnachfrage und damit geringer Strompreise betrieben und fördert dann ein Speichergas, vorzugsweise Luft, in ein Speichervolumen 4. Dabei kann mit Vorteil ein Kühler 5 zwischengeschaltet sein, damit die Temperatur im Speichervolumen 4 nicht zu stark infolge der Kompression ansteigt. Das Druckverhältnis des Kompressors 3 ist grösser als das der Gasturbogruppe 1, wenn der Druck im Speichervolumen 4 grösser als der maximale Verdichterenddruck der Gasturbogruppe sein muss.The 1 shows a first embodiment of the invention. The illustrated power plant is based on a conventional gas turbine group 1 comprising a compressor 101 , a combustion chamber 102 and a turbine 103 for driving a generator 2 , Furthermore, a compressor 3 arranged, which of an electric motor 7 is drivable. compressor 101 and gas turbine 103 as well as generator 2 are suitably connected by a common shaft or on a common shaft train 104 arranged. The compressor 3 is preferably operated in times of low electricity demand and thus lower electricity prices and then promotes a storage gas, preferably air, in a Speicherervolu men 4 , It can with advantage a cooler 5 be interposed so that the temperature in the storage volume 4 does not increase too much as a result of compression. The pressure ratio of the compressor 3 is bigger than that of the gas turbo group 1 when the pressure in the storage volume 4 must be greater than the maximum compressor pressure of the gas turbine group.

Energetisch ist es auch sinnvoll, den Verdichter 3 mit einer oder mehreren hier nicht dargestellten Zwischenkühlungsstufen auszustatten, damit die Wärme jeweils bei möglichst niedriger Temperatur abgeführt wird. Zwischen dem Kompressor 3 und dem Speichervolumen 4 ist selbstverständlich auch ein nicht dargestelltes Rückschlagorgan notwendig. Wenn der Strompreis und/oder die Stromnachfrage einen bestimmten unteren Schwellenwert überschreitet oder wenn der Druck im Speicher 4 einen oberen Grenzwert überschreitet, wird der Kompressor 3 ausser Betrieb genommen. Im Speicher 4 ist jetzt "billige" Energie in Form gespannter Luft gespeichert. Wenn der gezahlte Strompreis und/oder die Nachfrage einen bestimmten oberen Grenzwert überschreitet, wird ein Absperr- und Drosselorgan 6 geöffnet, und Druckgas bzw. Druckluft aus dem Speicher 4 wird über eine Verbindungsleitung 100, in der das Absperr- und Drosselorgan 6 angeordnet ist, stromab des Verdichters 101 in den Strömungsweg der Gasturbogruppe 1 eingeleitet. Dieser Zusatz-Gasmassenstrom wird in der Brennkammer 102 erhitzt und in der Turbine 103 arbeitsleistend entspannt, ohne im Verdichter 101 verdichtet werden zu müssen, was zu einer Steigerung der Netto-Leistungsabgabe führt.Energetically, it makes sense, the compressor 3 equipped with one or more intermediate cooling stages, not shown here, so that the heat is dissipated at the lowest possible temperature. Between the compressor 3 and the storage volume 4 Of course, a non-illustrated check member is necessary. When the electricity price and / or electricity demand exceeds a certain lower threshold or if the pressure in the store 4 exceeds an upper limit, the compressor becomes 3 taken out of service. In the storage room 4 is now stored "cheap" energy in the form of strained air. If the electricity price paid and / or the demand exceeds a certain upper limit, then a shut-off and throttle organ 6 opened, and compressed gas or compressed air from the memory 4 is via a connection line 100 in which the shut-off and throttle organ 6 is arranged, downstream of the compressor 101 in the flow path of the gas turbine group 1 initiated. This additional gas mass flow is in the combustion chamber 102 heated and in the turbine 103 performing work relaxed, without in the compressor 101 having to be compressed, which leads to an increase in net output.

Zusätzlich kann dabei eine verstellbare Vorleitreihe des Verdichters 101 teilweise geschlossen werden, wodurch sich der Verdichtermassenstrom und damit dessen Leistungsaufnahme vermindert. In einer Betriebsweise, welche in offenen Gasturbinen ohne Abgaswärmenutzung zu bevorzugen ist, wird z.B. der Verdichtermassenstrom verringert und der Turbinenmassenstrom konstant gehalten, um die Abgaswärmeverluste in Grenzen zu halten. Erst bei höchsten Leistungssteigerungsraten wird dann der Turbinenmassenstrom gesamthaft erhöht. Somit kann in Zeiten hoher Nachfrage und hoher Strompreise die Netto-Leistungsabgabe der Gasturbogruppe signifikant erhöht werden.In addition, it can be an adjustable Vorleitreihe the compressor 101 partially closed, whereby the compressor mass flow and thus reduces its power consumption. In a mode of operation which is preferable in open gas turbines without exhaust heat utilization, for example, the compressor mass flow is reduced and the turbine mass flow is kept constant in order to limit the exhaust heat losses. Only at maximum power increase rates is the total turbine mass flow increased. Thus, in times of high demand and high electricity prices, the net output of the gas turbine group can be significantly increased.

Gegenüber einer Wasser- oder Dampfeinspritzung wird kein Wasser verbraucht, was eine Verwendung der Kraftwerksanlage an einem Ort mit Wassermangel ermöglicht.Opposite one Water or steam injection, no water is consumed, which a use of the power plant in a place with a lack of water allows.

Im Gegensatz zu einer Gas- bzw. Luftspeicherturbine einer Standard-Gasspeicherkraftanlage kann eine Standard-Gasturbine zur Entspannung des Speichergases verwendet werden, im dargestellten Beispiel der gesamte Wellenstrang 104 einschließlich Generator 2. Allenfalls muss ein Generator mit einer grösseren Grenzleistung verwendet werden. Ebenfalls kann der Verdichter 101 auf relativ einfache Weise und mit geringem Aufwand auf einen etwas kleineren Nenn-Massenstrom skaliert werden, wodurch die Nennleistung der Gasturbogruppe 1 sinkt, oder die Turbine 103 kann für eine höhere Schluckfähigkeit hochskaliert werden, was aber, im Gegensatz zur Verdichtermodifikation möglicherweise Gehäusemodifikationen erfordert. In jedem Fall wächst das Leistungssteigerungspotenzial, und die Gasturbogruppe wird besser für einen erfindungsgemässen Spitzenlastbetrieb geeignet. Ebenso kann das Speichervolumen wesentlich kleiner ausfallen als bei einer reinen Gas- bzw. Luftspeicherturbine. Der Verdichter 3 kann ebenfalls standardmässig eingekauft werden und kann vom Betriebsverdichter 101 der Gasturbogruppe deutlich unterschiedliche Spezifikationen aufweisen; er wird insbesondere für kleinere Volumenströme und höhere Druckverhältnisse gewählt. Selbst bei einem kompletten Ausfall der Speichervorrichtung, samt Kompressor 3 und Speichervolumen 4, kann die Kraftwerksanlage noch vollwertig betrieben werden und verliert nur die Fähigkeit zur Spitzenlasterzeugung, kann aber im Nominalbetrieb vollwertig weiterarbeiten.In contrast to a gas or air storage turbine of a standard gas storage power plant, a standard gas turbine can be used to relax the storage gas, in the illustrated example, the entire shaft train 104 including generator 2 , At most, a generator with a larger power limit must be used. Likewise, the compressor 101 be scaled in a relatively simple manner and with little effort to a slightly smaller nominal mass flow, whereby the rated power of the gas turbine group 1 sinks, or the turbine 103 can be upscaled for higher buoyancy, but may require housing modifications as opposed to compressor modification. In either case, the power increase potential increases, and the gas turbo group becomes better suited for peak load operation according to the invention. Likewise, the storage volume can be much smaller than in a pure gas or air storage turbine. The compressor 3 can also be purchased as standard and can be used by the compressor 101 the gas turbo group have significantly different specifications; It is especially chosen for smaller volume flows and higher pressure conditions. Even with a complete failure of the storage device, including the compressor 3 and storage volume 4 , the power plant can still be fully operated and loses only the ability to peak load generation, but can continue to operate in nominal operation fully.

Die erfindungsgemässe Kraftwerksanlage bietet also überragende Flexibilität und Betriebs- und Investitionssicherheit für den Betreiber.The invention Power plant offers so outstanding flexibility and operational and investment security for the operator.

Häufig ist der Generator 2 auch mit einer Vorrichtung verbunden, über welche der Generator 2 zum Anfahren der Gasturbogruppe als Motor betreibbar ist, oder es ist eine andere Start-Hilfsvorrichtung zum Anfahren der Gasturbogruppe 1 vorhanden. Im Extremfall kann bei der vorliegenden Erfindung auf eine derartige Startvorrichtung verzichtet werden. Bei aufgeladenem oder teilaufgeladenem Druckgasspeicher 4 kann die Gasturbogruppe 1 angefahren werden, indem die Turbine 103 mit Druckgas aus dem Speicher 4 beaufschlagt wird. Gegenüber herkömmlichen Starthilfseinrichtungen, welche im Allgemeinen auf Hilfsenergie von aussen angewiesen sind, kann die Gasturbogruppe 1 mit Hilfe des Druckgases auch stromlos oder höchstens mit einer klein zu dimensionierenden Notstromversorgung, beispielsweise in Form von Akkus, angefahren werden.Often the generator 2 Also connected to a device via which the generator 2 for starting the gas turbine group is operable as a motor, or it is another start auxiliary device for starting the gas turbine group 1 available. In extreme cases, can be dispensed with in the present invention to such a starting device. With charged or partially charged compressed gas storage tank 4 can the gas turbo group 1 be hit by the turbine 103 with compressed gas from the store 4 is charged. Compared to conventional start-up devices, which generally rely on auxiliary power from the outside, the gas turbine group 1 with the help of the compressed gas also without power or at most with a small-sized emergency power supply, for example in the form of batteries, are approached.

Die Ausführungsform gemäss 2 ermöglicht hier weitergehende Flexibilität. Der Verdichter 3 ist einerseits mit dem elektrischen Antriebsmotor 7 verbunden, andererseits ist eine externe Kraftmaschine, beispielsweise ein Dieselmotor 8, über eine Kupplung 9 auf den Wellenstrang des Verdichters 3 aufschaltbar. Die Leistung des Motors 8 kann vergleichsweise klein bemessen werden. Damit kann die Aufladung des Druckluftspeichers 4 vollkommen autark erfolgen. Ein Schwarzstart ist jetzt sogar bei leerem Speicher 4 möglich; es muss lediglich der Motor 8 gestartet werden, welcher sukzessive den Kompressor 3 antreibt und den Speicher 4 füllt, bis der Druck zum Starten reicht.The embodiment according to 2 enables further flexibility here. The compressor 3 is on the one hand with the electric drive motor 7 on the other hand is an external engine, such as a diesel engine 8th , via a clutch 9 on the shaft of the compressor 3 connectable. The power of the engine 8th can be measured comparatively small. This can charge the compressed air reservoir 4 completely self-sufficient. A black start is now included empty storage 4 possible; it just has to be the engine 8th be started, which successively the compressor 3 drives and the memory 4 fills until the pressure reaches the start.

Gemäss 3 ist der Ladekompressor 3 auf einem Wellenstrang mit der Gasturbogruppe 1 und dem Generator 2 angeordnet und mittels einer Kupplung 10 an diese ankoppelbar. Selbstverständlich könnte auch ein nicht dargestelltes Übersetzungsgetriebe vorhanden sein, damit die Drehzahl des Kompressors 3 über der Netzsynchronen Drehzahl des Generators 2 liegt. Bei Strompreisen unterhalb des unteren Schwellenwertes wird die Kupplung 10 geschlossen; der Generator 2 liefert dann weniger Strom ins Netz als die Nettoleistungsabgabe der Gasturbogruppe 1. Die Gasturbogruppe 1 treibt dann den Generator 2 und den Ladekompressor 3 an. Der Speicher 4 wird aufgeladen. Bei einer derartigen Betriebsweise kann die überschüssige Leistung der Gasturbogruppe 1 unmittelbar zum Antreiben des Ladekompressors 3 verwendet werden, was zu einem extremen Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage gegenüber einer herkömmlichen Kraftwerksanlage und einer herkömmlichen Gasspeicherkraftanlage führt. Denn bei einem reduzierten Strombedarf produziert die herkömmliche Kraftwerksanlage entweder überschüssige elektrische Leistung oder wird mit einem verschlechterten Wirkungsgrad betrieben. Des Weiteren wird eine herkömmliche Gasspeicherkraftanlage üblicherweise mittels überschüssiger elektrischer Leistung aufgeladen. Demnach treten bei der Kraftwerksanlage Umwandlungsverluste mechanisch-elektrisch auf, während bei der Gasspeicherkraftanlage Umwandlungsverluste elektrisch-mechanisch auftreten. Im Unterschied dazu kann bei der erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage die überschüssige Leistung der Gasturbogruppe 1 unmittelbar mechanisch zum Antreiben des Kompressors 3 der Gasspeicherkraftanlage genutzt werden. Die zuvor genannten Umwandlungsverluste treten hier nicht auf, so dass insgesamt ein erheblich verbesserter Wirkungsgrad erzielt werden kann.According to 3 is the charging compressor 3 on a shaft train with the gas turbo group 1 and the generator 2 arranged and by means of a coupling 10 can be connected to these. Of course, an unillustrated transmission gear could be present so that the speed of the compressor 3 above the grid synchronous speed of the generator 2 lies. At electricity prices below the lower threshold, the clutch becomes 10 closed; the generator 2 then supplies less power to the grid than the net power output of the gas turbine group 1 , The gas turbo group 1 then drives the generator 2 and the charging compressor 3 at. The memory 4 is charged. In such an operation, the excess power of the gas turbine group 1 directly for driving the loading compressor 3 be used, resulting in an extreme advantage of the power plant according to the invention over a conventional power plant and a conventional gas storage power plant. Because with a reduced power requirement, the conventional power plant produces either excess electrical power or is operated with a deteriorated efficiency. Furthermore, a conventional gas storage power plant is usually charged by means of excess electrical power. Accordingly, in the power plant conversion losses occur mechanically-electrically, while in the gas storage power plant conversion losses occur electrically-mechanically. In contrast, in the power plant according to the invention, the excess power of the gas turbine group 1 directly mechanically to drive the compressor 3 be used the gas storage power plant. The aforementioned conversion losses do not occur here, so that overall a significantly improved efficiency can be achieved.

Bei Strompreisen oberhalb des unteren Schwellenwertes wird die Kupplung 10 geöffnet und die Gasturbogruppe 1 läuft im Normalbetrieb. Bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes für den Preis wird der beschriebene Spitzenlastbetrieb mit Zusatzluft aus dem Speicher 4 realisiert.At electricity prices above the lower threshold, the clutch becomes 10 opened and the gas turbo group 1 runs in normal mode. If an upper limit for the price is exceeded, the described peak load operation with additional air from the memory 4 realized.

Gemäss 4 ist der Kompressor alternativ wieder über einen externen Motor 8 antreibbar.According to 4 Alternatively, the compressor is again via an external engine 8th drivable.

Gemäss 5 kann der Generator 2 sowohl generatorisch als auch elektromotorisch betrieben werden. Die Gasturbogruppe 1 kann über eine Kupplung 11 komplett vom Generator 2 getrennt werden. Wenn der Generator 2 elektromotorisch betrieben wird, ist die Kupplung 11 geöffnet und die Kupplung 10 stellt einen Kraftschluss her. Der Kompressor 3 kann somit auch dann betrieben werden, wenn die Gasturbogruppe 1 stillsteht. Daneben ist selbstverständlich auch der in Verbindung mit 3 erläuterte Ladebetrieb möglich. Die Betriebsflexibilität ist erhöht, allerdings ist der Wellenstrang bis zum Generator 2 kein Standard mehr. Die Gasturbogruppe 1 ist weiterhin Standard, was eine grosse Investitionssicherheit bietet. Auch hier, wie in allen nachfolgend dargestellten Figuren kann prinzipiell ein externer Motor, insbesondere ein Verbrennungsmotor, zum Antrieb des Kompressors 3 auf die oben beschriebene Art angeordnet sein.According to 5 can the generator 2 be operated both generator and electric motor. The gas turbo group 1 can via a clutch 11 completely from the generator 2 be separated. When the generator 2 is operated by electric motor, is the clutch 11 opened and the clutch 10 creates a frictional connection. The compressor 3 can thus be operated even if the gas turbine group 1 stationary. In addition, of course, in conjunction with 3 explained charging operation possible. The operating flexibility is increased, but the shaft is up to the generator 2 no standard anymore. The gas turbo group 1 is still standard, which offers great investment security. Again, as in all figures shown below, in principle, an external engine, in particular an internal combustion engine, for driving the compressor 3 be arranged in the manner described above.

Bei der Anordnung gemäss 6 ist in der Verbindungsleitung 100, also im Strömungsweg des Gases vom Speicher 4 zur Gasturbogruppe 1 eine Feuerungseinrichtung 12 angeordnet. Es ist thermodynamisch zur Verringerung der Mischungsverluste durchaus von Vorteil, das Zusatzgas vorgängig der Mischung auf die Temperatur des Verdichterendgases des Betriebsverdichters 101 zu bringen.In the arrangement according to 6 is in the connection line 100 , So in the flow path of the gas from the store 4 to the gas turbine group 1 a firing device 12 arranged. It is thermodynamically to reduce the mixing losses quite advantageous, the additional gas before the mixture to the temperature of the compressor end of the compressor 101 bring to.

In 7 ist die Zusatzfeuerung durch einen Abgaswärmetauscher 13 ersetzt. Da der Abgasmassenstrom grösser ist als der Zusatzgasmassenstrom, ist es an sich möglich, ohne Taupunktsunterschreitung im Abgas das Zusatzgas bis nahe an die Temperatur der Abgase der Gasturbine zu bringen. Bei angenommenen 450 °C Verdichterendtemperatur und 550°C Turbinenaustrittstemperatur kann das Zusatzgas leicht bis auf die Verdichterendtemperatur aufgewärmt werden.In 7 is the additional firing through an exhaust gas heat exchanger 13 replaced. Since the exhaust gas mass flow is greater than the additional gas mass flow, it is possible per se to bring the additional gas close to the temperature of the exhaust gases of the gas turbine without dew point in the exhaust gas. Assuming 450 ° C compressor end temperature and 550 ° C turbine outlet temperature, the additional gas can be easily warmed up to the compressor end temperature.

Erwähnenswert ist hierbei noch die Möglichkeit der Blindleistungsregelung in sehr weiten Grenzen bei den Ausführungsformen, welche den Generator auch motorisch zu betreiben vermögen.noteworthy Here is the possibility the reactive power control within very wide limits in the embodiments, which are also able to operate the generator by motor.

Die bisher dargestellten Ausführungsformen zeichnen sich durch besonders niedrige Investitionskosten aus. Nachteilig ist, dass die Abgaswärme nur unvollständig genutzt wird. Ein bevorzugter Spitzenlastbetrieb ist derjenige mit teilgeschlossener Vorleitreihe und gegenüber Nennbedingungen unverändertem Turbinen-Massenstrom; Bei Massenstromerhöhung steigen die Abgasverluste verhältnismässig stark an. Die Ausführungsformen gemäss den folgenden 8 bis 12 weisen Einrichtungen zur Nutzung der Abgaswärme auf, und können deshalb mit Vorteil auch mit maximalem Turbinenmassenstrom, gemäss den oben definierten Kriterien, nämlich die Grenzen der Feuerungsleistung der Brennkammer, gegebenenfalls bei gleichzeitiger Einhaltung von Emissionslimiten, sowie die Abreissgrenze des Betriebsverdichters, wirtschaftlich betrieben werden.The embodiments shown so far are characterized by particularly low investment costs. The disadvantage is that the exhaust heat is used only incompletely. A preferred peak load operation is that with a partially closed pilot row and turbine mass flow that is unchanged from nominal conditions; With mass flow increase, the exhaust gas losses increase relatively strongly. The embodiments according to the following 8th to 12 have facilities for the use of exhaust heat, and therefore can be operated with advantage even with maximum turbine mass flow, according to the criteria defined above, namely the limits of the firing capacity of the combustion chamber, optionally while maintaining emission limits, and the tear-off of the compressor, economically.

Die Ausführungsform gemäss 8 umfasst neben einer Gasturbogruppe 1 eine Gasspeicherkraftanlage, umfassend zwei Ladeverdichter 31, 32, welche durch Motoren 71, 72 angetrieben werden können, und so in oben beschriebener Weise ein Speichervolumen 4 mit Druckluft aufladen aufladen, sowie eine Gasspeicherturbine oder Luftturbine 14, welche mit der Gasturbogruppe 1 auf einem gemeinsamen Wellenstrang 104 angeordnet ist und auf einen gemeinsamen Generator 2 wirkt. Die Gasspeicherturbine 14 ist durch eine Kupplung 10 vom Wellenstrang 104 abkoppelbar, um ein Ventilieren in nichtbeaufschlagtem Zustand zu vermeiden; es handelt sich mit Vorteil um eine selbsttätige Kupplung, welche die Verbindung löst, sobald die Drehzahl der Gasspeicher- oder Luftturbine 14 die des restlichen Wellenstranges 104 unterschreitet, und umgekehrt eine Verbindung herstellt, sobald die Luftturbine 14 bei Drehzahl des Wellenstranges 104 eine Leistung aufzubringen vermag. Derartige Kupplungen 10 gehören bei einwelligen Kombianlagen (Gasturbine mit Dampfturbine) zum Stand der Technik und sind dem Fachmann daher ohne Weiteres geläufig.The embodiment according to 8th includes next to a gas turbine group 1 a gas storage power plant comprising two charging compressors 31 . 32 . which by engines 71 . 72 can be driven, and thus in the manner described above, a storage volume 4 Recharge with compressed air, as well as a gas storage turbine or air turbine 14 , which with the gas turbo group 1 on a common shaft train 104 is arranged and on a common generator 2 acts. The gas storage turbine 14 is through a clutch 10 from the shaft train 104 decoupled to avoid ventilating in non-pressurized state; It is advantageous to an automatic clutch, which releases the connection as soon as the speed of the gas storage or air turbine 14 that of the remaining wave 104 falls below, and conversely establishes a connection as soon as the air turbine 14 at speed of the shaft train 104 can afford a performance. Such couplings 10 belong in single-shaft combined plants (gas turbine with steam turbine) to the prior art and are therefore familiar to the expert without further notice.

Bei erhöhten Leistungsanforderungen kann ein erster Teil des gespeicherten Gases über das Stellorgan 6 der Gasturbogruppe 1 stromab des Verdichters 101 zugeführt werden, während ein weiterer Teil über das Absperr- und Stellorgan 15 in die Gasspeicher- und Luftturbine 14 geleitet werden kann. Der Gesamtmassenstrom strömt über einen Abgaswärmetauscher 13. Der Gesamtmassenstrom des Gases bzw. der Luft aus dem Speicher 4 kann dabei durch den Massenstrom der Gasspeicherturbine 14 derart eingeregelt werden, dass das gesamte Abwärmepotenzial genutzt wird. Der Massenstrom der Turbine 103 kann bis zum oben diskutierten Maximum gesteigert werden, da das Abwärmepotenzial nutzbar ist; eine Erhöhung des Abgasmassenstromes führt auch zu einer Erhöhung des in der Gasspeicherturbine 14 abbaubaren Wärmepotenzials und damit zu einer weiteren Steigerung der gesamten Netto-Leistungsabgabe.At elevated power requirements, a first portion of the stored gas may be via the actuator 6 the gas turbine group 1 downstream of the compressor 101 be fed while another part of the shut-off and actuator 15 into the gas storage and air turbine 14 can be directed. The total mass flow flows through an exhaust gas heat exchanger 13 , The total mass flow of the gas or the air from the store 4 can by the mass flow of the gas storage turbine 14 be adjusted so that the entire waste heat potential is used. The mass flow of the turbine 103 can be increased up to the maximum discussed above, since the waste heat potential is usable; an increase in the exhaust gas mass flow also leads to an increase in the gas storage turbine 14 degradable heat potential and thus to a further increase in the total net output.

Eine derartige Gasspeicherkraftanlage wird üblicherweise auch als „Compressed-Air-Energy-Storage-System", kurz CAES-System bezeichnet. Die Grundidee eines herkömmlichen CAES-Systems ist, überschüssige Energie, die von permanent betriebenen herkömmlichen Kraftwerken, wie z.B. Kohlekraftwerken oder Kernkraftwerken, während der Schwachlastzeiten mit niedrigem Strompreis erzeugt wird, zu speichern. Erreicht wird dies dadurch, dass mit Hilfe der preiswerten überschüssigen Energie Luft oder ein anderes Gas unter einem relativ hohen Druck in einen Speicher gepumpt wird. Aus diesem wird die Luft bzw. das entsprechende Speichergas bei Bedarf zur Erzeugung von Strom bei Spitzenlasten, also bei hohem Strompreis wieder entnommen. Das bedeutet, dass die Energie in Form von potentieller Energie abrufbar bevorratet wird. Als Speicher dienen beispielsweise ausgediente Kohle- oder Salzbergwerke oder entsprechend dimensionierte Rohrspeichersysteme. Da das im Gasspeicher bevorratete Gas üblicherweise Luft ist, wird eine derartige Gasspeicherkraftanlage im Allgemeinen auch als Luftspeicherkraftanlage bezeichnet.A Such gas storage power plant is also commonly called "compressed air energy storage system", short CAES system designated. The basic idea of a conventional CAES system is excess energy, that of permanently operated conventional power plants, such as e.g. Coal-fired power plants or nuclear power plants, during the off-peak hours with low electricity price is generated to store. Is achieved This is done by using the cheap excess air or air pumped another gas under a relatively high pressure into a reservoir becomes. From this, the air or the corresponding storage gas at Demand for the generation of electricity at peak loads, ie at high Electricity price withdrawn. That means the energy is in shape stockpiled by potential energy. To serve as memory For example, disused coal or salt mines or equivalent dimensioned tube storage systems. Since that stored in the gas storage Gas usually Air is, is such a gas storage power plant in general also referred to as air storage power plant.

9 ist eine Variation und Optimierung der Schaltung aus 8. Der gesamte aus dem Speicher 4 entnommene Gasmassenstrom durchströmt zunächst den Abgaswärmetauscher 13 und wird über die Gasspeicherturbine 14 zumindest teilweise abgearbeitet, bevor ein von dem Absperr- und Stellorgan 6 bemessener teilentspannter Teilstrom entnommen und der Gasturbogruppe zugeleitet wird. 9 is a variation and optimization of the circuit 8th , The whole from the store 4 withdrawn gas mass flow first flows through the exhaust gas heat exchanger 13 and is via the gas storage turbine 14 at least partially processed before one of the shut-off and actuator 6 taken dimensioned partial relaxed partial flow and the gas turbine group is fed.

10 und 11 zeigen die Realisierung einer erfindungsgemässen Kraftwerksanlage als Kombianlage mit einem der Gasturbogruppe 1 nachgeordneten Wasser-Dampf-Kreislauf zur Abwärmenutzung. Der Aufbau der Gasturbogruppe 1 mit Gasspeicher 4 entspricht an sich den oben dargestellten Ausführungsformen. Mit der Gasturbine 101 auf einem gemeinsamen Wellenstrang angeordnet und über eine selbsttätige Kupplung 10 mit diesem verbindbar ist eine Dampfturbine 21 angeordnet. Der Wasser-Dampf-Kreislauf ist beispielhaft stark vereinfacht dargestellt und ist dem Fachmann an sich geläufig, weshalb nachfolgend nur eine sehr globale Darstellung erfolgt. Im Abgasstrom der Gasturbogruppe 1 sind ein Vorwärmer 22 und ein Verdampfer/Überhitzer 23 angeordnet. Eine Kondensatpumpe 24 pumpt bzw. fördert Wasser mit einem Druck von beispielsweise 2 bis 5 bar zum Vorwärmer 22, wo das Kondensat bis in die Nähe des Siedepunktes aufgeheizt wird. Dieses Kondensat wird in einen Speisewasserbehälter und Entgaser 25 gefördert. Eine Kesselspeisepumpe 26 bringt dieses Wasser auf Frischdampfdruck und fördert das Speisewasser durch den als sogenannter OTSG "Once Through Steam Generator" ausgeführten Dampferzeuger/Überhitzer 23. Ein Frischdampfregelventil 27 steuert die Frischdampfzufuhr zur Dampfturbine 21. In der Dampfturbine 21 wird der Dampf entspannt und anschliessend im Kühler 28 wieder kondensiert. Der Kühler für das vom Kompressor 3 geförderte Gas ist in einen Kühlmittelkreislauf mit dem Kühler/Kondensator 28 integriert. D.h. zur Kühlung des dem Speicher 4 zugeführten Gases und des von der Dampfturbine 21 abgeführten Dampfes ist ein gemeinsamer Kühler 28 vorgesehen. 10 and 11 show the realization of a power plant according to the invention as a combined plant with one of the gas turbine group 1 downstream water-steam cycle for waste heat recovery. The construction of the gas turbine group 1 with gas storage 4 corresponds per se to the embodiments shown above. With the gas turbine 101 arranged on a common shaft train and an automatic clutch 10 connectable to this is a steam turbine 21 arranged. The water-steam circuit is shown by way of example in a greatly simplified manner and is familiar to the person skilled in the art, which is why only a very global representation follows below. In the exhaust gas stream of the gas turbine group 1 are a preheater 22 and an evaporator / superheater 23 arranged. A condensate pump 24 pumps or delivers water at a pressure of, for example, 2 to 5 bar to the preheater 22 where the condensate is heated to near the boiling point. This condensate is poured into a feedwater tank and degasser 25 promoted. A boiler feed pump 26 brings this water to live steam pressure and promotes the feed water through the so-called OTSG "Once Through Steam Generator" running steam generator / superheater 23 , A steam control valve 27 controls the steam supply to the steam turbine 21 , In the steam turbine 21 the steam is released and then in the cooler 28 condensed again. The radiator for that from the compressor 3 Promoted gas is in a coolant circuit with the radiator / condenser 28 integrated. That is, for cooling the memory 4 supplied gas and that of the steam turbine 21 discharged steam is a common cooler 28 intended.

Die Ausführungsform gemäss 11 zeichnet sich gegenüber der Ausführungsform gemäss 10 durch die Feuerung 12 für das Zusatzgas aus. Anstelle der Zusatzgasfeuerung oder ergänzend hierzu, z.B: als Vorwärmer, kann selbstverständlich auch eine Einrichtung zur Nutzung von Abgaswärme angeordnet sein. Die Vorwärmung des Zusatzgases wird mit Vorteil, wie auch in den anderen dargestellten Beispielen mit Zusatzgasvorwärmung, so geregelt, dass die Temperatur des Zusatzgases der Temperatur des Verdichterendgases entspricht. Bei der Anwendung der Erfindung in einem Kombikraftwerk kann ein Betrieb mit erhöhtem Turbinenmassenstrom besonders effizient eingesetzt werden, weil ein erhöhter Turbinen- und damit Abgasmassenstrom für eine erhöhte Dampfproduktion und damit für eine zusätzliche Leistungserhöhung der Dampfturbine 21 nutzbar ist.The embodiment according to 11 is distinguished from the embodiment according to 10 through the furnace 12 for the additional gas. Instead of the additional gas firing or in addition to this, for example: as a preheater, of course, a device for the use of exhaust heat can be arranged. The preheating of the additional gas is advantageously controlled, as in the other illustrated examples with additional gas preheating, so that the temperature of the additional gas corresponds to the temperature of the final compressor gas. In the Application of the invention in a combined cycle power plant, operation with increased turbine mass flow can be used particularly efficiently, because an increased turbine and thus exhaust gas mass flow for increased steam production and thus for an additional increase in power of the steam turbine 21 is usable.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann gemäß 12 das Zusatzgas stromab der Brennkammer 102 der Gasturbogruppe 1 eingebracht werden. Es ist dann notwendig, im Strömungsweg des Zusatzgases eine Feuerung anzuordnen, welche das Zusatzgas unmittelbar auf die Turbineneintrittstemperatur zu erhitzen vermag. Eine solche Bauweise ist zwar aufwändiger zu realisieren, kann aber von grösstem Vorteil sein, wenn der Betrieb mit erhöhtem Turbinenmassenstrom angestrebt wird. Es muss dann keine Rücksicht auf die begrenzte Feuerungsleistung der Brennkammer 102 der Gasturbogruppe 1 genommen werden, welche ja vorteilhaft zu einer Standardmaschine gehört und insbesondere bei gleichzeitiger Einhaltung von Emissionslimiten nur eine begrenzte Feuerungsleistung umzusetzen vermag.In a further embodiment of the invention may according to 12 the additional gas downstream of the combustion chamber 102 the gas turbine group 1 be introduced. It is then necessary to arrange a furnace in the flow path of the additional gas, which is able to heat the additional gas directly to the turbine inlet temperature. Although such a design is more complicated to implement, it can be of great advantage if operation with increased turbine mass flow is desired. There must then be no consideration for the limited firing capacity of the combustion chamber 102 the gas turbine group 1 which is advantageous to a standard machine and is able to implement only a limited firing capacity, in particular, while maintaining emission limits.

Bei der vorliegenden Erfindung wird somit auf unterschiedliche Weise eine Gasspeicherkraftanlage mit einer Gasturbogruppe 1 kombiniert. Bei allen Ausführungsformen kann das Druckgas, insbesondere die Druckluft, aus dem Druckgasspeicher 4 zur Erhöhung der Nennleistung der Gasturbine 103 und/oder zum Starten der Gasturbine 103 genutzt werden. Bei einfachen Ausführungsformen kann dabei auf eine Gasspeicherturbine oder Luftturbine 14 verzichtet werden. Eine weitere Besonderheit wird auch darin gesehen, dass der Kompressor 3, der zur Aufladung des Druckgasspeichers 4 dient, mit dem Wellenstrang 104 der Gasturbogruppe 1 gekoppelt werden kann. Auf diese Weise kann die überschüssige Leistung der Gasturbogruppe 1 zum Antreiben des Kompressors 3, also zum Aufladen des Gasdruckspeichers 4 verwendet werden. Des Weiteren kann der Generator 2 als Elektromotor betrieben werden, um bei stehender Gasturbogruppe 1 den Kompressor 3 und/oder die Gasturbogruppe 1 anzutreiben. Durch die erfindungsgemäße Kombination und teilweise Integration der Gasspeicherkraftanlage bzw. von wesentlichen Komponenten der Gasspeicherkraftanlage mit der Gasturbogruppe 1 ergeben sich erhebliche synergetische Effekte, welche insbesondere die Installationskosten einer derartigen Anlage reduzieren können. Gleichzeitig kann der energetische Wirkungsgrad für die Gesamtanlage angehoben werden, insbesondere wenn durch direkte Leistungsübertragung Umwandlungsverluste vermieden werden können.In the present invention is thus in different ways a gas storage power plant with a gas turbine group 1 combined. In all embodiments, the compressed gas, in particular the compressed air, from the compressed gas storage 4 to increase the nominal power of the gas turbine 103 and / or to start the gas turbine 103 be used. In simple embodiments may be a gas storage turbine or air turbine 14 be waived. Another special feature is also seen in the fact that the compressor 3 , which is to charge the compressed gas storage 4 serves, with the shaft train 104 the gas turbine group 1 can be coupled. In this way, the excess power of the gas turbo group 1 for driving the compressor 3 , so to charge the gas pressure accumulator 4 be used. Furthermore, the generator 2 operated as an electric motor to stand at stationary gas turbine 1 the compressor 3 and / or the gas turbine group 1 drive. The inventive combination and partial integration of the gas storage power plant or of essential components of the gas storage power plant with the gas turbine group 1 Significant synergistic effects, which in particular can reduce the installation costs of such a system arise. At the same time, the energy efficiency for the entire system can be increased, especially if conversion losses can be avoided by direct power transmission.

11: GasturbogruppeGas turbine group
22: Generatorgenerator
33: Kompressorcompressor
44: DruckgasspeicherCompressed gas storage
55: Kühleinrichtungcooling device
66: Absperr- und/oder DrosselorganShut-off and / or throttle body
77: Elektromotorelectric motor
88th: Kraftmaschinecombustion engine
99: Kupplungclutch
1010: Kupplungclutch
1111: Kupplungclutch
1212: zusätzliche Wärmezuführeinrichtungadditional heat supply
1313: Wärmetauscherheat exchangers
1414: GasspeicherturbineGas storage turbine
1515: Absperr- und StellorganShut-off and actuator
2121: Dampfturbinesteam turbine
2222: Vorwärmerpreheater
2323: Verdampfer/ÜberhitzerVaporizer / superheater
2424: Kondensatpumpecondensate pump
2525: KesselspeisepumpeBoiler feed pump
2727: FrischdampfregelventilLive steam control valve
2828: Kühler/KondensatorCooler / condenser
3131: Kompressorcompressor
3232: Kompressorcompressor
7171: Elektromotorelectric motor
7272: Elektromotorelectric motor
100100: Verbindungsleitungconnecting line
101101: Verdichtercompressor
102102: Wärmezuführeinrichtung/BrennkammerHeat supply / combustion chamber
103103: Gasturbinegas turbine
104104: Welle/WellenstrangShaft / shaft assembly

Claims

Power plant, in particular for power generation, comprising: - a gas turbine group ( 1 ) with at least one turbine each ( 103 ) and a compressor ( 101 ), which are on a common wave ( 104 ) and one in a flow path from the compressor ( 101 ) to the turbine ( 103 ) ( 102 ) for supplying heat, in particular a combustion chamber; - a compressed gas storage ( 4 ); and - a connection line ( 100 ) with a shut-off and / or throttle element ( 6 ), which of the compressed gas storage ( 4 ) and into a flow path of the gas turbine group ( 1 ) opens.

Power plant according to claim 1, characterized in that the connecting line ( 100 ) downstream of the compressor ( 101 ) and upstream of the heat supply device ( 102 ) in the flow path of the gas turbine group ( 1 ) opens.

Power plant according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting line ( 100 ) in a cooling gas system of the gas turbine group ( 1 ) opens.

Power plant according to one of the preceding claims, characterized in that with the compressed gas reservoir ( 4 ) a compressor ( 3 ) for charging the compressed gas storage ( 4 ) connected is.

Power plant according to claim 4, characterized in that the compressor ( 3 ) on a common shaft strand ( 104 ) with the gas turbine group ( 1 ), with an intermediate coupling ( 10 ) and / or with an intermediate gear, and thus arranged by the gas turbine group ( 1 ) is drivable.

Power plant according to claim 4 or 5, characterized in that the compressor ( 3 ) with an electric motor ( 7 . 8th ), optionally via a clutch and / or a transmission connected.

Power plant according to claim 4 to 6, characterized in that the compressor ( 3 ) with an engine ( 8th ), in particular an internal combustion engine, for example a diesel engine, optionally via a clutch ( 9 ) and / or a transmission connected.

Power plant according to one of claims 1 to 7, characterized in that an additional device ( 12 ; 13 ) for the supply of heat in the from the compressed gas storage ( 4 ) branched off gas stream in the connecting line ( 100 ) upstream of their confluence with the flow path of the gas turbine group ( 1 ) is arranged.

Power plant according to claim 8, characterized in that the additional heat supply means an additional combustion chamber ( 12 ) or in the exhaust path of the turbine ( 103 ) arranged exhaust gas heat exchanger ( 13 ).

Power plant according to claims 1 to 9, characterized in that an additional turbine ( 14 ) is provided, which is drivable with the stored pressurized gas, to the connecting line ( 100 ) and with the shaft ( 104 ) of the gas turbine group ( 1 ) or via a clutch ( 10 ) and / or a transmission is drive-connected.

Power plant according to one of claims 1 to 10, characterized in that a steam turbine ( 21 ) provided with the shaft ( 104 ) of the gas turbine group ( 1 ) or via a clutch ( 10 ) and / or a transmission is drive-connected.

Power plant according to claim 11, characterized in that a common radiator ( 28 ) for cooling the compressed gas reservoir ( 4 ) supplied compressed gas stream and that of the steam turbine ( 21 ) coming relaxed steam flow is provided.

Method for operating a gas turbine group ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which, to increase the net power output, a gas mass flow from the compressed gas reservoir ( 4 ) and downstream of the compressor ( 101 ) into the gas turbine group ( 1 ) is initiated.

Method according to claim 13, characterized in that the heat supply to the working means of the gas turbine group ( 1 ), in particular the fuel supply to the combustion chamber ( 102 ), is controlled to a constant maintenance of the turbine inlet temperature.

Method according to one of claims 13 or 14, characterized in that at least a partial flow of the compressed gas storage ( 4 ) extracted mass flow downstream of the compressor ( 101 ) and upstream of the heating device ( 102 ) in the flow path of the gas turbine group ( 1 ) is initiated.

Method according to one of claims 13 to 15, characterized in that at least a partial flow of the compressed gas storage ( 4 ) removed mass flow into a cooling gas path of the gas turbine group ( 1 ) is initiated.

Method according to one of claims 13 to 16, characterized in that an adjustable Vorleitreihe the compressor ( 101 ) is partially closed to the compressor ( 101 ) conveyed mass flow and thus the power consumption of the compressor ( 101 ).

A method according to claim 17, characterized in that the mass flow through the turbine ( 103 ) is regulated to constant maintenance.

The method of claim 18, characterized by the steps of continually determining a turbine inlet temperature; to continuously determine a compressor discharge pressure; a mass flow from the compressed gas storage ( 4 ) refer to; the turbine inlet temperature by regulating interventions on the heat supply in the heat supply device ( 102 ) to a constant setpoint; to control the compressor discharge to a constant setpoint by regulating the position of an adjustable pilot row by further closing the pilot row when the actual pressure is greater than the target pressure and continuing to open the pilot row when the actual pressure is lower than the target pressure is.

Method according to one of claims 13 to 19, characterized by the steps that, in the case of an electricity demand which is less than a lower one Threshold is a compressor ( 3 ) by an electric motor ( 7 ) or directly from the gas turbine group ( 1 ) and the compressed gas storage ( 4 ) is pressurized until its pressure has reached an upper threshold, and that at an electricity demand which is greater than an upper threshold, gas from the compressed gas storage ( 4 ) into the gas turbine group ( 1 ).

Method according to one of claims 13 to 20, characterized by the steps, a lower threshold value of the pressure of the compressed gas storage ( 4 ) and when the threshold falls below a compressor ( 3 ) by an external combustion engine ( 7 . 8th ), in particular an electric motor or a diesel engine, to drive and the compressed gas storage ( 4 ) thus charge.

Method according to one of claims 13 to 21, characterized by the steps at standstill of the gas turbine group ( 1 ) Gas from the compressed gas storage ( 4 ) into the gas turbine group ( 1 ) and thus the turbine ( 103 ) and drive the shaft ( 104 ) of the gas turbine group ( 1 ) to accelerate; the heat supply to the working medium of the gas turbine group ( 1 ) to put into operation; the gas turbine group ( 1 ) continue to accelerate up to the rated speed, wherein the compressed gas storage ( 4 ) is controlled so that the in the turbine ( 103 ) output is always sufficient to at least maintain a given shaft acceleration.

A method according to claim 22, characterized by the further step, before the introduction of gas into the gas turbine group ( 1 ) an external engine ( 7 . 8th ), preferably an electric motor or a diesel engine, with this a compressor ( 3 ) and to charge the storage volume to a minimum pressure.

Method according to one of claims 13 to 23, characterized in that the through the turbine ( 103 ) gas mass flow is greater than that of the compressor ( 101 ) supplied mass flow plus the fuel mass flow and optionally injected in particular for nitrogen oxide reduction water and / or steam mass flow.

A method according to claim 24, characterized in that the compressor mass flow is reduced compared to the nominal mass flow, for example by partially closing an adjustable Vorleitreihe, and that from the compressed gas storage ( 4 ) supplied mass flow is greater than the mass flow reduction of the compressor.