DE102004040577A1

DE102004040577A1 - Verfahren zum Anfahren einer Kraftwerksanlage in einem stromlosen Elektrizitätsnetz, und Kraftwerksanlage

Info

Publication number: DE102004040577A1
Application number: DE102004040577A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Althaus
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2004-08-21
Publication date: 2005-03-31

Abstract

Eine Kraftwerksanlage umfasst eine Gasturbogruppe (1), einen Druckluftspeicher (201) und wenigstens eine Druckspeicher-Entspannungsturbine (203). Zum Anfahren der Kraftwerksanlage ohne externe Hilfsenergie wird die Kraftwerksanlage durch Öffnen des Netzschalters (S1) vom Elektrizitätsnetz getrennt. Der Generator (204) der Speicheranlage wird durch Öffnen eines Generatorschalters (S2) vom anlageninternen Netz (51) getrennt. Durch Öffnen des Speicherfluidmassenstrom-Stellorgans (7) wird die Entspannungsturbine (203) mit dem Generator (204) beschleunigt und eine erste elektrische Leistung erzeugt, mit der durch Schließen des Generatorschalters (S2) das interne Netz (51) aktiviert wird. Mit dieser ersten erzeugten elektrischen Energie kann die elektrische Starteinrichtung (22) der Gasturbogruppe betrieben werden. Die Gasturbogruppe wird angefahren, und die Kraftwerksanlage wird in einen normalen Betriebszustand überführt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin eine hierzu besonders geeignete Kraftwerksanlage.

Luftspeicherkraftwerke sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Beim Betrieb von Luftspeicherkraftwerken wird Luft im Allgemeinen über mehrere Kompressorstufen mit Zwischenkühlung verdichtet und entfeuchtet, und die Druckluft wird in einem geeigneten Speicher, beispielsweise in einer unterirdischen Kaverne, zwischengespeichert. Die gespeicherte Druckluft kann im Bedarfsfalle aus dem Speicher entnommen und unter der Abgabe von Wellenleistung in einer Druckspeicher-Entspannungsturbine entspannt werden. Zur besseren Ausnutzung des gespeicherten Volumens ist es weiterhin eine übliche Massnahme, die Luft vorgängig der Entspannung und/oder während der Entspannung zu erwärmen, was meist indirekt mittels Wärmeübertragern erfolgt. Damit kann eine Rauchgasbeaufschlagung der Druckspeicher-Entspannungsturbine vermieden werden, und die Druckspeicher- Entspannungsturbine kann einfacher und billiger gebaut werden; eine interne Feuerung ist aber selbstverständlich durchaus im Bereich des Möglichen.

Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Ausgangstemperatur der Druckluft eignen sich Luftspeicheranlagen mit Heissluftturbinen und Erwärmung durch externe Quellen über Wärmeübertrager ganz besonders zur Nutzung von bei niedrigen Temperaturen anfallender Wärme.

Aus der US 5,537,822 ist eine derartige Anlage bekanntgeworden, bei der zur Erwärmung des Speicherfluides die Abgaswärme einer Gasturbogruppe herangezogen wird.

Aus betriebtechnischer und auch wirtschaftlicher Sicht ist die Fähigkeit, eine Kraftwerksanlage auch in einem vollkommen stromlosen Elektrizitätsnetz anzufahren, hochinteressant. Häufig werden daher aufwändige Schwarzstartvorrichtungen, wir grosse Batterien und/oder eigene Schwarzstartdieselaggregate, angeordnet, welche aber einen hohen Investitionsaufwand erfordern.

Darstellung der Erfindung

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

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe unter Verwendung der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders geeignete Kraftwerksanlagen sind in den Vorrichtungsansprüchen beschrieben.

Kern der Erfindung ist es also, die im Druckluftspeicher gespeicherte Energie zum Starten der Kraftwerksanlage zu nutzen, ohne externe Hilfsenergie heranziehen zu müssen. Mit Hilfe des gespeicherten Fluides wird zunächst die Druckspeicher-Entspannungsturbine angefahren, und damit ein Generator angetrieben. Die so erzeugte elektrische Leistung wird nachfolgend zum Anfahren der Gasturbogruppe verwendet, bevor die gesamte Kraftwerksanlage auf das energielose Elektrizitätsnetz aufgeschaltet wird.

Hierzu wird zunächst ein Absperr- und/oder Drosselorgan, über welches der Massenstrom des Speicherfluides einstellbar ist, geöffnet. Damit wird die Druckspeicher-Entspannungsturbine angefahren und deren Drehzahl so erhöht, dass die vom angetriebenen Generator erzeugbare Leistung zum Anfahren der Gasturbogruppe genügt. Sodann kann der Generator der Druckspeicher-Entspannungsturbine elektrisch auf eine Startvorrichtung der Gasturbogruppe aufgeschaltet werden. Die von der Druckspeicheranlage erzeugte elektrische Energie wird also genutzt, um die Gasturbogruppe anzufahren, indem zum Beispiel deren Generator elektromotorisch betrieben wird, um die Drehzahl der Gasturbogruppe auf ein zum Zünden erforderliches Niveau zu beschleunigen. Danach benötigt die Gasturbogruppe eine tendenziell niedrigere elektrische Beschleunigungsleistung, und ist noch unterhalb der Nenndrehzahl in der Lage, ohne elektrische Starthilfe auf Nenndrehzahl zu beschleunigen und in den Leistungsbetrieb zu wechseln. Auf diese Weise kann eine Kraftwerksanlage, welche eine Gasturbogruppe und eine Druckspeicheranlage umfasst, in einem stromlosen Elektrizitätsnetz ohne äussere Energiezufuhr und ohne kapitalintensive Nebenaggregate wie Starterbatterien mit hoher Kapazität oder grosse Schwarzstartdiesel angefahren werden. Die Druckspeicher-Entspannungsturbine kann, da sie nur mit moderaten Temperaturen beaufschlagt wird, sehr schnell belastet werden, und ist sehr schnell in der Lage, Energie in ein Elektrizitätsnetz abzugeben. Bei dem beschriebenen Startverfahren wird die Druckspeicheranlage daher mit einem höchstmöglichen Leistungsgradienten belastet, und kann daher im Extremfall bereits ihre volle Leistung ins Netz abgeben, bevor die Gasturbogruppe überhaupt auf einer geeigneten netzsynchronen Drehzahl ist. Die Drehzahl, bei welcher der erste Generator auf das Netz aufgeschaltet wird, soll dabei in guter Näherung mit der Nennfrequenz des Netzes übereinstimmen.

Zur Bereitstellung einer notfallmässigen Stromversorgung genügt es, Speicherfluid aus dem Speichervolumen ohne weitere Erhitzung, also vollkommen ohne den Betrieb der vorgeschalteten Gasturbogruppe, zur Druckspeicher-Expansionsturbine zu leiten. Bereits die Entspannung eines kalten Speicherfluidmassenstroms kann genutzt werden, um eine begrenzte elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. Dies wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren zum Anfahren der Kraftwerksanlage in einem energielosen Elektrizitätsnetz genutzt.

Wie einleitend beschrieben, weist eine Kraftwerksanlage eine Gasturbogruppe auf, einen Druckluftspeicher, eine Druckspeicher-Entspannungsturbine, sowie einen Wärmeübertragungsapparat, über welchen vorgängig der Entspannung des Speicherfluides Abgaswärme der Gasturbogruppe auf das Speicherfluid übertragen wird. Damit wird das über die Druckspeicher-Entspannungsturbine zur Verfügung stehende massenspezifische Enthalpiegefälle erhöht, und mit einer bestimmten Druckspeicherenergie kann mehr elektrische Energie erzeugt werden. Mit anderen Worten reicht das gespeicherte Fluid einfach länger. Dabei wird in vorteilhafter Weise Abwärme der Gasturbogruppe genutzt, derart, dass kein spezifischer zusätzlicher Primärenergiebedarf entsteht.

Diese im Normalbetrieb vorteilhafte Anordnung kann aber im Notfallbetrieb und beim Schwarzstart Schwierigkeiten bereiten, wenn aufgrund einer Havarie der Wärmeübertragungsapparat beschädigt ist.

Die notfallmässige Elektrizitätsproduktion und die Schwarzstartfähigkeit kann daher besonders zuverläsig sichergestellt werden, wenn die Kraftwerksanlage im Strömungsweg des Druckspeichermediums eine Nebenschlussleitung aufweist, die es erlaubt, Speicherfluid unter Umgehung des Wärmeübertragungsapparates vom Speichervolumen zur Druckspeicher-Entspannungsturbine zu leiten. Dies spart gegebenenfalls die Druckverluste des Wärmeübertragungsapparates; andererseits kann die Entspannungsfunktion auch dann genutzt werden, wenn ein Schaden des Wärmeübertragungsapparates vorliegt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist im Strömungsweg des Speicherfluides eine Wärmezuführeinrichtung angeordnet. Diese kann stromab des Wärmeübertragungsapparates und stromauf der Entspannungsturbine angeordnet sein, stromauf des Wärmeübertragungsapparates, oder in der Nebenschlussleitung. Die erstgenannte Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung auch im nominellen Betrieb der Kraftwerksanlage nutzbar ist, um die Eintrittstemperatur der Druckspeicher-Entspannungsturbine über den in dem Wärmeübertragungsapparat erzielbaren Wert anzuheben. Damit kann zum Beispiel die Eintrittstemperatur der Druckspeicher-Entspannungsturbine optimiert werden. Nachteilig an dieser Anordnung ist der permanente zusätzliche Druckverlust durch die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung. In dieser Hinsicht hat die Anordnung der Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung in einer Nebenschlussleitung, mit der der Wämeübertragungsapparat umgehbar ist, Vorteile, weil diese bedarfsweise in den Strömungsweg des Speicherfluides einbringbar ist, und im Normalbetrieb nicht von Speicherfluid durchströmt wird.

Die Speicherfluid-Wärmezuführeinrichtung kann als unmittelbar in den Strömungsweg integrierte Feuerungseinrichtung ausgeführt sein, oder als Wärmetauscher mit einer äusseren Feuerung. Die erste Bauart hat den Vorteil, billiger zu sein, und im Allgemeinen mit geringeren Druckverlusten behaftet zu sein als ein im Strömungsweg angeordneter Wärmetauscher einer externen Feuerung. Eine externe Feuerung hat demgegenüber den Vorteil, dass das Speicherfluid nicht mit Rauchgaskomponenten kontaminiert wird. Dies hat dann erhebliche Vorteile, wenn beispielsweise eine handelübliche Dampfturbine als Druckspeicher-Entspannungsturbine Anwendung findet, welche nicht für die Beaufschlagung mit aggressiven heissen Rauchgasen vorgesehen ist.

Auf der anderen Seite ist es im Rahmen einer notfallmässigen Elektrizitätsversorgung durchaus auch sinnvoll, die Druckspeicher-Entspannungsturbine mit Rauchgasen zu beaufschlagen, und somit eine signifikante Lebensdauerverkürzung oder gar eine irreversible Beschädigung billigend in Kauf zu nehmen, um wenigstens eine temporäre Mindest-Elektrizitätsversorgung sicherzustellen. Im Sinne der reinen Vorhaltung einer Not-Stromerzeugungskapazität oder Schwarzstartfähigkeit bei geringen Investitionskosten ist es auch eine vorteilhafte Option, eine nicht oder nur begrenzt rauchgasbeständige Druckspeicher-Entspannungsturbine mit einer Vorrichtung zur direkten Feuerung des Speicherfluids zu kombinieren, und dabei eine eventuelle drastische Lebensdauerverkürzung der Entspannungsturbine in Kauf zu nehmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Für das Verständnis der Erfindung nicht unmittelbar notwendige Elemente sind weggelassen. Die Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen, und sollen nicht zu einer Einschränkung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung herangezogen werden.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Das erfindungsgemässe Schwarzstartverfahren wird anhand der in 1 dargestellten Kraftwerksanlage erläutert. Die Kraftwerksanlage umfasst eine Gasturbogruppe 1, eine Druckspeicheranlage 2, sowie eine Druckspeicher-Ladeeinrichtung 3. Die Gasturbogruppe 1 umfasst einen Verdichter 101 zur Verdichtung eines Luftmassenstroms, eine Brennkammer 102, in welcher dem verdichteten Luftmassenstrom ein Brennstoffmassenstrom zugeführt und in der verdichteten Luft verbrannt wird, wobei ein gespanntes Rauchgas entsteht, eine Turbine 103, sowie einen Generator 104. Der Generator kann häufig auch als Startvorrichtung für die Gasturbogruppe motorisch betrieben werden. Die Gasturbogruppe ist eine beliebige Gasturbogruppe, wie sie am Markt erhältlich ist, was auch die Möglichkeit mehrwelliger Installationen oder von Gasturbogruppen mit sequentieller Verbrennung, also mit zwei strömungsmässig in Serie geschalteten Turbinen und einer dazwischen angeordneten Brennkammer einschliesst. Eine solche Gasturbogruppe ist aus EP 620 362 bekanntgeworden. Ebenso kann auch ein Getriebe zwischen der Abtriebswelle der Gasturbogruppe und dem Generator angeordnet sein; die dargestellte Bauart der Gasturbogruppe ist nicht einschränkend zu verstehen. Das gespannte Rauchgas wird in der Turbine 103 arbeitsleistend entspannt. Die Turbine 103, der Verdichter 101, und der Generator 104 sind auf einem gemeinsamen Wellenstrang angeordnet. Die Turbine 103 treibt den Verdichter 101 sowie den Generator 104 an. Das entspannte Rauchgas verlässt die Turbine 103 mit einer immer noch hohen Temperatur, die bei modernen Gasturbogruppen bei voller Leistung ohne Weiteres im Bereich von rund 500°C bis 650°C liegt. Der der Brennkammer 102 zugeführte Brennstoffmassenstrom wird von dem Stellorgan 6 zugemessen. Dies erfolgt im Rahmen einer Leistungsregelung, entweder der Gasturbogruppe selbst oder der gesamten Kraftwerksanlage. Die Leistungsregelung ist sehr vereinfacht mit der Leistung des Generators 104 der Gasturbogruppe 1 als Regelgrösse dargestellt. Wenn die Leistung als Regelgrösse sinkt, wird das Brennstoffmengen-Stellorgan 6 weiter geöffnet. Wenn die Leistung als Regelgrösse steigt, wird das Brennstoffmengen-Stellorgan 6 ein Stück geschlossen. Eine solche Leistungsregelung umfasst selbstverständlich noch Soll-Istwert-Vergleiche, Begrenzer für Temperaturen und Drücke, und vieles mehr, was aber dem Fachmann geläufig ist und daher im Sinne der Übersichtlichkeit nicht dargestellt wurde. Weiterhin umfasst die dargestellte Kraftwerksanlage eine Speicheranlage 2, deren Kernelemente der Druckluftspeicher 201 und die Druckspeicher-Entspannungsturbine 203 darstellen. Als Druckspeicher-Entspannungsturbine kann beispielsweise eine marktgängige Serien-Dampfturbine verwendet werden, welche nur geringe Modifikationen erfordert; das durchströmende Druckspeicherfluid ist dann im Sinne einer hohen Lebensdauer bevorzugt Luft oder ein anderes nicht aggressives Gas, bei Eintrittstemperaturen von maximal rund 550°C bis 650°C. Der Druckluftspeicher kann auf an sich bekannte Weise mit komprimierter Luft aufgeladen werden, was bevorzugt zu Zeiten niedrigen Elektrizitätsbedarfs und niedriger Strommarktpreise geschieht. Im Beispiel ist eine Ladeeinheit 3 dargestellt, welche einen ersten Kompressor 301, einen Zwischenkühler mit Entfeuchter 302, einen zweiten Kompressor 303, sowie einen zweiten Luftkühler/Entfeuchter 304 umfasst. Der Antrieb erfolgt durch den Motor 305. Beim Betrieb der Verdichter wird komprimierte Luft in das Speichervolumen 201 gefördert; beim Stillstand der Ladeeinheit 3 verhindert ein Rückschlagorgan 306 ein Rückströmen der Luft. Ein Absperr- und/oder Drosselorgan 7 steuert die Abströmung von Druckluft aus dem Druckspeicher 201 zur Druckspeicher-Entspannungsturbine 203. Aus dem Druckspeicher abströmendes Fluid wird in der Turbine 203 unter Abgabe von Leistung entspannt, die zum Antrieb eines Generators 204 dient, der eine weitere elektrische Leistung erzeugt. Im Strömungsweg zwischen dem Druckluftspeicher 201 und der Turbine 203 ist ein Wärmeübertragungsapparat 202 angeordnet, in dem vorgängig der Entspannung in der Turbine 203 Abgaswärme der Gasturbogruppe 1 auf das Speicherfluid übertragen wird. Eine beste Abwärmenutzung stellt sich ein, wenn die Rauchgase soweit als möglich abgekühlt werden, wobei eine Unterschreitung des Taupunktes der Rauchkomponenten vermieden werden soll; insbesondere bei der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe, wie Öl, können sonst schwerwiegende Korrosionsschäden die Folge sein. Stromab des Wärmeübertragungsapparates ist eine Temperaturmessstelle 8 zur Messung der Rauchgastemperatur angeordnet. Eine Regelung ist derart aufgebaut, dass mit der dort gemessenen Temperatur als Regelgrösse das Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan 7 angesteuert wird. Bei steigender Rauchgastemperatur stromab des Wärmeübertragungsapparates öffnet das Absperr- und/oder Stellorgan 7, wodurch der sekundärseitige Massenstrom des Wärmeübertragungsapparates steigt, und das Rauchgas stärker abgekühlt wird. Diese Regelung kann für den Fachmann selbstverständlich als stetige Regelung, welche die Temperatur auf einem näherungsweise konstanten Sollwert hält, oder als unstetiger Zweipunktregler, welcher die Temperatur zwischen einer Obergrenze und einer Untergrenze regelt, ausgeführt sein. Mit 50 ist das Elektrizitätsnetz bezeichnet, an welchem potenziell eine Vielzahl von Verbrauchern angeschlossen sind. S1 ist der Netzschalter der Kraftwerksanlage, über den das kraftwerksinterne Netz 51 auf das Elektrizitätsnetz 50 aufgeschaltet und auch wieder von diesem getrennt werden kann. S2 bezeichnet den Generatorschalter der Druckspeicheranlage 2, über den der Generator 204 auf das interne Netz 51 aufschaltbar ist. S4 bezeichnet den Generatorschalter der Gasturbogruppe 1, über den der Generator 104 auf das interne Netz 51 aufschaltbar ist. 22 ist eine Startvorrichtung, welche es erlaubt, den Generator 104 der Gasturbogruppe mit begrenzter Leistung elektromotorisch zu betreiben, und damit die Gasturbogruppe anzufahren. Ein Beispiel für eine solche Startvorrichtung ist ein an sich aus dem Stand der Technik bekannter statischer Frequenzumrichter. Der Antriebsmotor 305 der Ladeeinheit 3 ist unabhängig vom internen Netz direkt als Verbraucher über den Schalter S5 auf das Elektrizitätsnetz aufschaltbar. Wenn durch unglückliche Umstände das Elektrizitätsnetz 50 energielos ist, werden zunächst alle Schalter S1 bis S5 geöffnet. In einem nächsten Schritt wird, wenn nötig mittels eines Handrades, das Stellorgan 7 geöffnet. Speicherfluid strömt aus dem Druckspeicher 201 zur Druckspeicher-Entspannungsturbine 203, und beschleunigt diese mitsamt dem Generator 204. Wohlgemerkt sind keine Hilfsenergie und keine Hilfsaggregate notwendig! Wenn eine bestimmte Drehzahl erreicht ist, kann der Generatorschalter S2 der Druckspeicheranlage geschlossen werden, und das interne Netz der Kraftwerksanlage hat Strom. Die Leistungsabgabe der Druckspeicheranlage kann problemlos mit einem grossen Gradienten erhöht werden. Durch Schliessen des Schalters S3 wird die Starteinrichtung 22 bereitgemacht, und der Generator 104 kann mit Strom vom Generator 204 motorisch betrieben werden, um die Gasturbogruppe anzufahren. Diese wird, wie aus dem Stand der Technik geläufig, auf eine Zünddrehzahl beschleunigt, worauf die Flamme in der Brennkammer 102 gezündet wird. Die Gasturbogruppe beschleunigt weiter bis zur Nenndrehzahl, wobei die Beschleunigung über einen weiten Drehzahlbereich weiter vom motorisch betriebenen Generator unterstützt wird, dessen Leistungsaufnahme tendenziell aber sinkt. Die Leistungsabgabe des Generators 204 der Druckspeicheranlage kann weiter gesteigert werden, um den internen Leistungsbedarf vollumfänglich abzudecken. Bei Erreichen einer Nenndrehzahl der Druckspeicher-Entspannungsturbine kann der Netzschalter S1 geschlossen werden, und die Kraftwerksanlage speist erste Energie in das Netz 50 ein. Die abgegebene Leistung kann wie beschrieben noch bevor die Gasturbogruppe synchron läuft beträchtlich gesteigert werden. Derweil wird die Gasturbogruppe auf Nenndrehzahl gebracht und der Generator 104 der Gasturbogruppe mit dem Generator 204 der Druckspeicheranlage synchronisiert; danach wird der Generatorschalter S4 der Gasturbogruppe 1 geschlossen, und beide Generatoren liefern Leistung ins Netz 50. Mit dieser elektrischen Leistung können andere Kraftwerke, welche keine derart überlegene Schwarzstartfähigkeit aufweisen angefahren und das Netz 50 kann normalisiert und stabilisiert werden. Wenn wieder genügend viel elektrische Leistung zur Verfügung steht, kann die Druckspeicheranlage abgestellt und der Schalter S5 geschlossen werden, um den Druckspeicher 201 wieder mit Druckluft oder einem anderen geeigneten Druckspeicherfluid aufzuladen.
Bei der gemäss 1 dargestellten Ausführungsform muss das Speicherfluid zwangsläufig immer den Wärmeübertragungsapparat 202 durchströmen. Das verursacht Druckverluste des Speicherfluides, deren negative Auswirkungen beim Stillstand der Gasturbogruppe 1 nicht durch die Abwärmenutzung ausgeglichen werden. Weiterhin kann die Speicheranlage 2 an sich nur betrieben werden, wenn der Wärmeübertragungsapparat 202 vollumfänglich funktionsfähig ist. Um diese Einschränkung zu umgehen, weist die in 2 dargestellte Ausführungsform eine Nebenschlussleitung 18 auf, welche im Strömungsweg des Speicherfluides den Wärmeübertragungsapparat 202 umgeht. Ein Wegeventil 19 dient als Strömungsweg-Stellorgan, welches es ermöglicht, die Speicherfluidströmung wahlweise durch den Wärmeübertragungsapparat 202 oder über die Nebenschlussleitung 18 zur Druckspeicher-Entspannungsturbine 203 zu führen. Das Wegeventil 19 ist mit grösstem Vorteil derart ausgeführt, dass es manuell bedienbar ist, und zumindest keine elektrische Hilfsenergie zur Betätigung notwendig ist. Allenfalls ist eine pneumatische Betätigung von Vorteil, bei der ein Steuerventil manuell betätigt wird, welches eine pneumatische Ansteuerung des Stellorgans mit Hilfe von im Speichervolumen gespeichertem Fluid auslöst. Das Absperr- und/oder Stellorgan 7 für den Speicherfluid-Massenstrom weist vorteilhaft ebenso Betätigungsmittel auf, die eine manuelle, oder allenfalls eine manuell vorgesteuerte pneumatische Bedienung ohne externe Hilfsenergie ermöglichen. Es ist für die Aufrechterhaltung der Schwarzstartfähigkeit und der notfallmässigen Stromerzeugungsfähigkeit essentiell, dass alle Stellorgane im Strömungsweg des Speicherfluides ohne externe Hilfsenergie betätigt werden können. Ein fakultatives Rückschlagorgan 23 verhindert ein Einströmen des über die Nebenschlussleitung geführten Fluides in den Wärmeübertragungsapparat. Dies hat den Vorteil, dass bei Leckagen im sekundärseitigen Strömungsweg des Wärmeübertragungsapparates der Strömungsweg über die Nebenschlussleitung nach wie vor nutzbar ist. Die in 2 dargestellte Kraftwerksanlage weist zudem stromauf der Druckspeicher-Entspannungsturbine angeordnete Mittel zur zusätzlichen Wärmezufuhr zum Speicherfluid auf. Vorliegend handelt es sich dabei um einen Wärmetauscher 15 mit einer externen Feuerungseinrichtung 16. Es kann aber auch eine unmittelbare Feuerung im Speicherfluid-Strömungsweg angeordnet werden, woraus sich jedoch, wie oben erwähnt, Folgen für den Betrieb der Kraftwerksanlage und die Auswahl der zu verwendenden Komponenten ergeben. Die Brennstoffzufuhr zu der Feuerungseinrichtung 16 wird durch das Stellorgan 17 gesteuert. Dieses wird im geschlossenen Regelkreis eingestellt, mit der Temperatur des Speicherfluides am Eintritt in die Druckspeicher-Entspannungsturbine als Regelgrösse, um diese Temperatur auf einen Sollwert einzuregeln. Sinkt die an der Messstelle 9 ermittelte Temperatur, so wird das Stellorgan 17 weiter geöffnet, und dem Speicherfluid wird entsprechend mehr Wärme zugeführt. Steigt die Temperatur, so wird das Stellorgan 17 ein Stück geschlossen. Damit kann der Betrieb der Speicherfluid-Expansionsmaschine unabhängig von der Abwärme der Gasturbogruppe und ganz besonders vorteilhaft im Betrieb über die Nebenschlussleitung optimiert werden. Das Rauchgas der Feuerungseinrichtung 16 wird nach erfolgtem Wärmetausch im Wärmeübertrager 15 mit Vorteil ebenfalls in den primärseitigen Strömungsweg des Wärmeübertragungsapparates 202 eingeleitet. Die Nebenschlussleitung 18, welche einen Betrieb der Speicheranlage 2 auch bei einem kompletten Ausfall des Wärmeübertragungsapparates, beispielsweise aufgrund einer Grosshavarie, ermöglicht, verleiht der in 2 dargestellten Kraftwerksanlage ganz hervorragende Eigenschaften zur Not-Stromerzeugung und zur Durchführung des erfindungsgemässen Schwarzstartverfahrens, weil der Strömungsweg über die Nebenschlussleitung gewählt werden kann. Daneben werden in diesem Betrieb Druckverluste beim Durchströmen des Wärmeübertragungsapparates eingespart, in Betriebszuständen, in denen dieser ohnehin nichts zur Effizienz der Energieumwandlung beizutragen vermag.
Gemäss 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher die Speicherfluid-Zusatzerhitzungsvorrichtung als in der Nebenschlussleitung 18 angeordneter Nebenschlussbrenner 21 ausgeführt ist. Selbstverständlich kann hier auch eine indirekte Feuerung angeordnet sein, mit den beschriebenen Vorteilen. Eine dargestellte direkte Befeuerung mittels eines Nebenschlussbrenners ist jedoch wesentlich weniger kapitalintensiv zu realisieren. Unter der Prämisse, dass die Nebenschlussleitung und der Nebenschlussbrenner in erster Linie der Vorhaltung von Noteigenschaften dienen, ist hier beispielsweise die Verwendung eines sehr einfachen Rohrbrenners eine durchaus vorteilhafte Variante.
Die in 4 dargestellte Kraftwerksanlage weist weiterhin zusätzlich zu der in 3 dargestellten Ausführungsform einen Rauchgasreinigungskatalysator 205 und eine Rauchgas-Nachfeuerungseinrichtung 4 auf. Der Katalysator weist ein materialspezifisches Temperaturfenster von beispielsweise 250°C bis 350°C auf, in dem er eine beste Wirkung entfaltet; zu hohe Temperaturen führen zu irreversiblen Überhitzungsschäden, bei zu niedrigen Temperaturen wird keine katalytische Wirkung mehr realisiert. Der Katalysator 205 ist deshalb an einer geeigneten Stelle innerhalb des Wärmeübertragungsapparates stromab eines ersten Teils des Wärmeübertragungsapparates und stromauf eines zweiten Teils des Wärmeübertragungsapparates angeordnet, an der das Rauchgas auf eine wenigstens näherungsweise geeignete Temperatur abgekühlt ist. Dargestellt ist eine Temperaturmessstelle 10 zur Bestimmung der Rauchgastemperatur unmittelbar stromauf des Katalysators. Die dort bestimmte Temperatur wird durch Eingriffe auf das Brennstoffmengen-Stellorgan 5 der Nachfeuerungseinrichtung 4 verwendet. Damit kann die Temperatur des Rauchgases am Katalysatoreintritt auf einen Sollwert oder innerhalb eines Sollwertintervalls eingeregelt werden. Wenn die ermittelte Temperatur nach unten vom Sollwert abweicht oder einen unteren Grenzwert unterschreitet, wird das Stellorgan 5 weiter geöffnet, und dem Zusatzbrenner 4 wird ein grösserer Brennstoffmassenstrom zugemessen. Wenn die ermittelte Temperatur nach oben vom Sollwert abweicht oder einen oberen Grenzwert überschreitet, wird das Stellorgan 5 ein Stück geschlossen, und der dem Zusatzbrenner 4 zugemessene Brennstoffmassenstrom wird vermindert. Auf diese Weise wird die Temperatur des Katalysators in einem günstigen Betriebsfenster eingestellt. Als Regelgrösse kann auch unmittelbar die Materialtemperatur des Katalysators gemessen werden. Weiterhin ermittelt die Temperaturmessstelle 9 die Temperatur des Speicherfluides beim Eintritt in die Druckspeicher-Entspannungsturbine 203. Diese Temperatur wird natürlich durch die Feuerungsleistung in der Nachfeuerungseinrichtung 4 unmittelbar beeinflusst. Daher ist im Sinne einer Sicherheitsschaltung eine Grenzregelung implementiert, bei welcher der der Nachfeuerungseinrichtung 4 zugemessene Brennstoffmassenstrom beim Überschreiten eines zulässigen Maximalwertes durch teilweises Schliessen des Stellorgans 5 vermindert wird.
Zu erwähnen sei in diesem Zusammenhang, dass es auch möglich ist, die Nebenschlussleitung ohne weitere Massnahmen zur Wärmezufuhr zum
Speicherfluid anzuordnen. Obschon dies in einer wie beschrieben schlechteren Ausnutzung des gespeicherten Fluides resultiert, kann die Speicheranlage dennoch als "stand alone" Lösung eine notfallmässige Stromversorgung oder ein erfindungsgemässes Anfahren der Kraftwerksanlage in einem stromlosen Elektrizitätsnetz sicherstellen, solange der Druckspeicher 201 unter Druck steht.

1: Gasturbogruppe
2: Druckspeicheranlage
3: Ladeeinrichtung für Druckspeicher
4: Wärmezuführeinrichtung, Nachfeuerungseinrichtung
5: Brennstoffmengen-Stellorgan
6: Brennstoffmengen-Stellorgan
7: Absperr- und/oder Drosselorgan,
: Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan
8: Temperaturmessstelle, für Abgastemperatur
9: Temperaturmessstelle, für Speicherfluidtemperatur stromab
: des Erhitzers und/oder am Eintritt in die
: Druckspeicher-Entspannungsturbine
10: Temperaturmessstelle, für Rauchgastemperatur stromauf eines
: Katalysators oder Katalysatortemperatur
15: Speicherfluid-Zusatzerwärmungsvorrichtung, Wärmetauscher
16: externe Feuerung
17: Brennstoffmengen-Stellorgan
18: Nebenschlussleitung
19: Wegeventil
21: Speicherfluid-Zusatzerwärmungsvorrichtung,
: Speicherfluid-Zusatzfeuerungseinrichtung, Nebenschluss-Brenner
22: Startvorrichtung, statischer Frequenzumrichter (SFC)
23: Rückschlagorgan
50: Elektrizitätsnetz
51: kraftwerksinternes Elektrizitätsnetz, "Inselnetz"
101: Verdichter
102: Brennkammer
103: Turbine
104: elektrische Maschine, Motor/Generator-Einheit, Generator
201: Speichervolumen
202: Wärmeübertragungsapparat
203: Druckspeicher-Entspannungsturbine
204: Generator
205: Katalysator
301: Verdichter
302: Kühler und Entfeuchter
303: Verdichter
304: Kühler und Entfeuchter
305: Antriebsmotor
306: Rückschlagorgan
S1: Schalter, Netzschalter
S2: Schalter, Generatorschalter
S3: Schalter, Anfahrschalter
S4: Schalter, Generatorschalter
S5: Schalter, Verbraucherschalter

Claims

Verfahren zum Anfahren einer Kraftwerksanlage in einem stromlosen Elektrizitätsnetz (50), welche Kraftwerksanlage umfasst: einen Druckluftspeicher (201), eine Druckspeicher-Entspannungsturbine (203), und eine Gasturbogruppe (1); welches Verfahren umfasst: Öffnen eines Speicherfluidmassenstrom-Stellorgans (7); Ableiten eines Speicherfluidmassenstroms aus dem Druckluftspeicher; Entspannen des Speicherfluidmassenstroms in der Druckspeicher-Entspannungturbine unter Erzeugung einer Wellenleistung; Antreiben eines Generators (204) der Druckspeicher-Entspannungsturbine mit der erzeugten Wellenleistung; Erzeugen einer ersten elektrischen Leistung; Herstellen einer Verbindung zwischen dem Generator (204) der Druckspeicher-Entspannungsturbine und einer Startvorrichtung (22) der Gasturbogruppe; Anfahren der Gasturbogruppe mit der von dem Generator der Druckspeicher-Entspannungsturbine erzeugten elektrischen Leistung; Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen der Kraftwerksanlage und dem Elektrizitätsnetz.
Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator der Druckspeicher-Entspannungsturbine nach dem Überschreiten eine Drehzahl-Grenzwertes elektrisch mit einer kraftwerksinternen Spannungsschiene verbunden wird.
Kraftwerksanlage, umfassend einen Druckluftspeicher (201), eine Druckspeicher-Entspannungsturbine (203), eine Gasturbogruppe (1) sowie einen Wärmeübertragungsapparat (202) mit einem primärseitigen Strömungsweg und einem sekundärseitigen Strömungsweg, wobei der primärseitige Strömungsweg im Rauchgaspfad der Gasturbogruppe angeordnet ist, und der sekundärseitige Strömungsweg zwischen dem Druckluftspeicher und der Druckspeicher-Entspannungsturbine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nebenschlussleitung (18) zur Umgehung des Wärmeübertragungsapparates zwischen dem Druckluftspeicher und der Druckspeicher-Entspannungsturbine angeordnet ist.
Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Druckspeicher-Entspannungsturbine weitere Mittel zur Wärmezufuhr im Strömungsweg des Speicherfluides angeordnet sind.
Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezuführmittel in der Bypassleitung (18) angeordnet sind.
Kraftwerksanlage gemäss einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezuführmittel Mittel zur Zufuhr eines Brennstoffs und zur Verbrennung des Brennstoffs im Speicherfluid umfassen.
Kraftwerksanlage gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens ein Fluidströmungsweg-Stellorgan (19) aufweist, durch welches das Speicherfluid wahlweise durch den sekundärseitigen Strömungsweg des Wärmeübertragungsapparates oder durch die Bypassleitung leitbar ist.
Kraftwerksanlage gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidströmungsweg-Stellorgan Mittel zur manuellen, hilfsenergielosen Bedienung aufweist.
Kraftwerksanalge gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein Speicherfluidmassenstrom-Stell- und/oder Absperrorgan, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherfluidmassenstrom-Stell- und/oder Absperrorgan Mittel zur manuellen, hilfsenergielosen Bedienung aufweist.