DE102013203044A1 - Verfahren zur Regelung der Leistung einer Gasturbineneinheit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Leistung einer Gasturbineneinheit (2), die einen Luftkompressor (4), einen Generator (6) und eine Gasturbine (8) umfasst, mit folgenden Verfahrensschritten: Ansaugen von Frischluft (9) in den Luftkompressor (4), Entnahme von komprimierter Luft (10) aus dem Kompressor (4) während oder nach eines Komprimierungsprozesses, Verflüssigen der komprimierten Luft (10) in einem Luftverflüssigungsprozess (12), Leistungsvariation der Gasturbine (8) durch variable Zugabe von flüssiger Luft (13) zum Kompressionsprozess.

Description

  • Aufgrund der zunehmenden Einspeisung fluktuierender erneuerbarer Energien beispielsweise aus Windkraftwerken oder Solarkraftwerken erfüllen Gasturbinen zunehmend Regelaufgaben und gleichen die Fluktuation aus. Dadurch gewinnt die Flexibilität von Gaskraftwerken an Bedeutung. Durch die Fluktuation von erneuerbaren Energien muss positive wie auch negative Regelenergie bereitgestellt werden. Das bedeutet, es muss dem Stromnetz elektrische Energie entzogen werden oder kurzzeitig hinzugefügt werden. Umso kurzfristiger diese Einspeisung bzw. Ausleitung von elektrischer Energie aus dem Stromnetz erfolgen kann umso wirtschaftlicher lässt sich das Netz insgesamt betreiben.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum betreiben einer Gasturbine bereitzustellen, durch das die Zeit, die benötigt wird, um Energie aus dem Netz aufzunehmen bzw. zusätzliche Energie bereitzustellen, gegenüber herkömmlichen Gasturbinen verbessert wird.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren mit dem Merkmal des Patentanspruchs 1.
  • Das Verfahren nach Anspruch 1 dient zur Regelung der Leistung einer Gasturbineneinheit, wobei die Gasturbineneinheit einen Luftkompressor, einen Generator und eine Gasturbine umfasst. Das Verfahren umfasst wiederum folgende Verfahrensschritte:
    Zunächst wird Frischluft in den Luftkompressor angesaugt, anschließend wird komprimierte Luft vom Kompressor entnommen, was entweder während des Kompressionsprozesses oder nach dem Kompressionsprozess geschieht. Diese vorkomprimierte Luft wird in einem weiteren Verfahrensschritt verflüssigt. Zur Leistungsvariation der Gasturbine wird flüssige Luft variabel dem Kompressionsprozess zugeführt. Die Zugabe von flüssiger Luft zum Kompressionsprozess bewirkt eine Steigerung der Leistung der Gasturbine durch Lufteintrittskühlung oder Luftzwischenkühlung im Kompressor. Diese Leistungssteigerung ist abhängig von der Menge der zugegebenen flüssigen Luft. Diese zugegebene flüssige Luft bewirkt eine Abkühlung der Frischluft, was zur Folge hat, dass weniger Energie in die Kompression der Luft gesteckt wird, wodurch wiederum der Wirkungsgrad bzw. die Leistung der Gasturbine erhöht wird.
  • Die Entnahme von Luft aus dem Komprimierungsprozess verringert die Leistung der Gasturbine unmittelbar, wohingegen die Zufuhr von flüssiger Luft die Leistung der Gasturbine direkt, d. h. innerhalb von wenigen Sekunden spürbar erhöht. Durch das wechselweise Abzweigen der komprimierten Luft und das gezielte Zuführen von verflüssigter Luft kann somit innerhalb weniger Sekunden auf den Bedarf des Stromnetzes nach elektrischer Energie reagiert werden. Die Verflüssigung der bereits vorkomprimierten Luft erfolgt hierbei in einem Standardverfahren, auf das hier nicht weiter eingegangen wird. Für dieses Verfahren ist es besonders vorteilhaft, wenn Luft bei einem erhöhten Druck, der durch die Entnahme aus dem Komprimierungsprozess herrscht, vorliegt. Die verflüssigte Luft ist somit eine Art von gespeicherter Energie, die zum kurzfristen Einsatz zur Steigerung der Leistung der Gasturbine dient.
  • Somit wird bevorzugt in Zeiten, in denen wenig Energie benötigt wird und in denen die Außentemperatur in der Regel kühler ist, beispielsweise in den Nachtstunden, komprimierte Luft aus dem Kompressor abgesaugt und verflüssigt und somit die Leistung der Gasturbine verringert. In Zeiten von Spitzenbedarf an elektrischer Energie im Netz, beispielsweise in der Mittagszeit, wird die Leistung der Gasturbine durch Zugabe der verflüssigten Luft erhöht.
  • Da Kraftwerke mit Gasturbinen häufig gerade zu Spitzenlastzeiten eingeschaltet werden und in Zeiten mit geringem Strombedarf im Netz abgeschaltet werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch während der Niederlastzeiten Anwendung finden.
  • Gerade in Niederlastzeiten kann es vorkommen, dass durch Einspeisung von hohen regenerativen Energien das Netz überversorgt ist, was dazu führt, dass zu viel elektrische Energie im Netz vorhanden ist. In diesen Zeiten kann der Verfahrensschritt der Energieentnahme von komprimierter Luft aus dem Kompressor und die Luftverflüssigung auch bei einer abgeschalteten Verbrennung in der Gasturbine erfolgen. Hierbei wird mit überschüssigem Strom aus dem Stromnetz der Generator als Motor betrieben, der wiederum den Luftkompressor antreibt und die Luft verdichtet, die dann in einer Luftverflüssigungsanlage verflüssigt wird. Diese verflüssigte Luft kann wiederum gemäß Anspruch 1 zur Leistungsvariation der Gasturbine in Betriebszeiten der Gasturbine zugeführt werden.
  • Alternativ hierzu wird ein Teil der komprimierten Luft, der bevorzugt weniger als 15%, ganz besonders bevorzugt weniger als 10% beträgt, dem Komprimierungsprozess entzogen, der Luftverflüssigungsanlage zugeführt und dort verflüssigt. Durch die Entnahme von weniger als 15% der angesaugten und komprimierten Luft wird der Betrieb der Gasturbine abgesehen von der beschriebenen Leistungserniedrigung nicht wesentlich beeinträchtigt. Die Leistung wird jedoch insoweit verringert, dass auf den entsprechenden Netzlastbedarf eingegangen werden kann.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, einen Diffusor anzuwenden und die flüssige Luft vor einer Einsaugvorrichtung, die zum Einsaugen der Frischluft in den Luftkompressor dient, flächig zu verteilen, so dass die gesamte Frischluft möglichst gleichmäßig abgekühlt wird.
  • Dabei hat es sich wiederum als zweckmäßig herausgestellt, dass die Frischluft durch die verflüssigte Luft nicht weniger als auf 2°C abgekühlt wird, so dass ein Ausfrieren der Luftfeuchtigkeit und somit die Bildung von Eispartikeln im Kompressor verhindert wird.
  • Alternativ hierzu kann die verflüssigte Luft auch direkt in den Kompressor bzw. in verschiedene Teilbereiche des Kompressionsprozesses eingeblasen werden.
  • Ferner hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, die komprimierte Luft, die dem Luftkompressor entnommen wird, und die eine Temperatur von 100 bis 500°C aufweist, vor dem Verflüssigen in einem Wärmetauschprozess abzukühlen. Die während des Wärmetauschprozesses gewonnene Wärmeenergie kann wiederum anderweitig vorteilhaft genutzt werden, sie kann beispielsweise zum Beheizen des Kraftwerkes bzw. zum Einspeisen in ein Wärmenetzwerk genutzt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen sowie weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher beschrieben. Bei diesen Figuren handelt es sich um exemplarische Ausgestaltungsformen der Erfindung, die in ihrer Kombination keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen. Gleiche Merkmale in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen werden hierbei mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Dabei zeigen
  • 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbineneinheit, bei der komprimierte Luft zur Verflüssigung aus dem Luftkompressor abgezogen wird,
  • 2 das Zuführen von verflüssigter Luft zur Leistungssteigerung der Gasturbineneinheit nach 1 und
  • 3 eine Gasturbineneinheit mit Generator, der durch einen externen Überschussstrom als Motor angetrieben wird.
  • In 1 ist eine Gasturbineneinheit 2 dargestellt, die einen Generator 6, einen Kompressor 4 sowie eine Gasturbine 8 umfasst. Diese drei Komponenten Generator 6, Kompressor 4 und Gasturbine 8 sind in dem schematisch dargestellten Idealfall auf einer Welle 20 angeordnet. Die Erfindung ist grundsätzlich auch auf mehrwelligen Gasturbineneinheiten anwendbar.
  • Zunächst wird hierbei Frischluft 9 in den Luftkompressor 4 eingesaugt, wobei aus dem Kompressionsprozess verdichtete Luft 10 entnommen wird. Hierbei handelt es sich in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform um einen Anteil von etwa 10 %, der als Frischluft 9 angesaugten Luft, die als komprimierte Luft zur Verflüssigung aus dem Kompressionsprozess entnommen wird. Der größte Teil der verdichteten Luft, der hier mit dem Bezugszeichen 10‘ versehen ist, wird mit einem Brenngas 14, in der Regel Erdgas, in einer Luft-Brenngas-Vorrichtung 18 vermischt und verbrannt und der Gasturbine 8 zugeführt. Hierbei entsteht ein heißes Abgas 19, das grundsätzlich über Wärmetauschprozesse gewinnbringend genutzt werden kann.
  • Die Leistung der Gasturbine 8 wird durch das Abzweigen von komprimierter Luft 10 aus dem Luftkompressor 4 reduziert. Aus diesem Grund erfolgt das Abzweigen von komprimierter Luft 10 aus dem Luftkompressor 4 nur bei benötigter Reduktion der Gasturbinenleistung, die in der Regel durch den Bedarf im Stromnetz bedingt ist. Für den Fall, dass eine gedrosselte Leistung der Gasturbine 8 nötig sein sollte, wird nun die komprimierte Luft 10 dem Luftkomprimierungsprozess entnommen. Dabei gibt es im Luftverdichtungsprozess der Gasturbineneinheit mehrere zweckmäßige Entnahmestellen, an denen unterschiedliche Mengen mit unterschiedlichen Drücken an komprimierter Luft abgezapft werden können. Mit welchem Druck und an welcher Stelle des Luftkompressors die komprimierte Luft entnommen wird, hängt auch von der Art und Beschaffenheit der Luftverflüssigungsanlage 12 ab (im Weiteren als Luftverflüssigungsprozess 12 bezeichnet), die grundsätzlich zum Stand der Technik gehört und auf die hier nicht näher eingegangen werden soll. Die abgezweigte komprimierte Luft 10 weist in der Regel noch nicht den Druck auf, der zur Verflüssigung von Luft notwendig ist, und der bis zu 200 bar betragen kann. Die vorkomprimierte Luft 10 trägt jedoch dazu bei, dass der Luftverflüssigungsprozess 12 ausgesprochen wirtschaftlich zu gestalten ist. Am Ende des Luftverflüssigungsprozesses 12 wird verflüssigte Luft 13 in ein hierfür vorgesehenen Tank gespeichert.
  • Die aus dem Luftkompressor 4 abgezweigte komprimierte Luft 10 weist eine Temperatur von mehreren 100°C auf, sie wird daher vor dem Einbringen in den Verflüssigungsprozess 12 bevorzugt in einer Wärmetauschvorrichtung 17 abgekühlt. Die somit gewonnene Wärmeenergie kann einem weiteren thermischen Prozess, beispielsweise einem Fernwärmesystem, zugeführt werden.
  • Die so gewonnene und nutzbar gemachte Wärmeenergie kann die verminderte Leistung der Gasturbine 8 bzw. die für den Luftverflüssigungsprozess 12 benötigte Energie teilweise kompensieren.
  • Der in 1 beschriebene Bedarfsfall, wonach die Gasturbine 8 auf geringere Last fahren soll und weniger Energie ins Stromnetz einspeisen soll, führt somit schließlich dazu, dass Energie in Form von verflüssigter Luft 13 aus dem Gesamtprozess abgezweigt wurde und gespeichert wird. Dem gegenüber steht der Bedarfsfall gemäß 2, in dem zusätzliche Energie bei Spitzenlastzeiten in das Stromnetz eingespeist werden muss. Hierzu wird die flüssige Luft 13 dem Luftkompressor zugeführt, wodurch die Temperatur der Frischluft 9, die komprimiert wird, abgesenkt wird. Hierdurch sinkt wiederum der Energiebedarf für die Kompression und die Leistung der Gasturbine nimmt zu. Der Einfluss der Lufteinlasstemperatur auf die Gasturbinenleistung und auf deren Wirkungsgrad spielt besonders bei einer hohen Umgebungstemperatur eine Rolle. Oft fallen hohe Außentemperaturen und ein hoher Energiebedarf beispielsweise mittags zusammen, wobei es in diesem Fall doppelt zweckmäßig ist, flüssige Luft zur Reduktion des Temperaturniveaus im Kompressor der Frischluft beizufügen. So bewirkt zum Beispiel eine Reduktion der Frischlufttemperatur von 30°C auf 8°C eine Leistungssteigerung einer Gasturbine von bis zu 20 %.
  • In 2 ist die Zufuhr der flüssigen Luft 13 durch zwei alternative Pfeile 13 und 13‘ schematisch dargestellt. Bei der Einleitung gemäß Pfeil 13‘ handelt es sich um eine direkte Einleitung der flüssigen Luft 13 in den Luftkompressor 4, beispielsweise durch Einführen an einer bereits bezüglich 1 erwähnten Entnahmestelle. Alternative hierzu kann die flüssige Luft 13 in einen Diffusor 15 geführt werden, in dem sie flächig verteilt wird und möglichst die gesamte Fläche einer Einsaugvorrichtung 16 zum Einsaugen von Frischluft 9 mit kalter flüssiger Luft 13 zu versehen.
  • Bei den in den 1 und 2 dargestellten Verfahrensschritten handelt es sich um geringfügige Modifikationen in einem herkömmlichen Betrieb einer Gasturbineneinheit 2. Es bedarf hierbei keiner größeren technischen Umrüstung, die wiederum größere finanzielle Investitionen erforderlich machen würde. Lediglich eine Luftverflüssigungsanlage wird dem normalen Betriebsablauf einer Gasturbineneinheit 2 hinzugefügt. Der finanzielle Aufwand für die Luftverflüssigungsanlage 12 wird jedoch gegenüber einem herkömmlichen Prozess dieser Art deutlich reduziert, da bereits stark verdichtete Luft 10 dem Luftverflüssigungsprozess 12 zugeführt wird, was Anlagen zur Vorverdichtung der Luft überflüssig macht und die Investitionskosten und Betriebskosten reduziert.
  • Da Gasturbinen häufig als Reservekraftwerke eingesetzt werden, sind sie in Niederlastzeiten auch häufig abgeschaltet. In diesem Fall können sie gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung gemäß 3 auch in elektrisch umgekehrter Richtung verwendet werden. Hierbei wird überschüssiger elektrischer Strom 21 aus dem Stromnetz dem Generator 6, der in diesem Fall als Motor eingesetzt wird (hier als 6‘ bezeichne), zugeführt. Der Motor 6‘ treibt dabei den Luftkompressor 4 an. Es wird Frischluft 9 eingesaugt, die wiederum zum größten Teil in Form von komprimierter Luft 10 dem Wärmetauschprozess 17 bzw. dem Verflüssigungsprozess 12 zugeführt wird. Bei einigen technischen Ausgestaltungsformen der Gasturbineneinheit kann es zweckmäßig sein, einen Teil der komprimierten Luft 10 bei dieser Anwendung direkt in die Gasturbine 8 zu leiten, um die Motorleistung des Motors 6‘ zu unterstützen.
  • Somit wird gemäß 3 die überschüssige Energie, die beispielsweise bei starken Stürmen, die in der Nacht auftreten, wobei nur wenig Energie im Stromnetz benötigt wird, zwischen zu speichern. Die verflüssigte Luft gemäß 3 kann wiederum dann bei einem hohen Energiebedarf gemäß 2 der Gasturbineneinheit 2 zugeführt werden, wodurch deren Leistung gesteigert wird.
  • Besonders vorteilhaft bei dem beschriebenen Verfahren gemäß 1 bis 3 ist, dass durch eine einfache Regelungstechnik unter Anwendung der herkömmlichen Verfahrens- und Prozesstechnik innerhalb von wenigen Sekunden die Leistung der Gasturbine 8 um bis zu 20 % reduziert werden kann, wobei die hierbei eingesparte Energie energetisch günstig in Form von flüssiger Luft gespeichert werden kann. Im Gegenzug dazu kann die gespeicherte flüssige Luft dafür eingesetzt werden, ebenfalls unter Verwendung eines geringen technischen Aufwandes innerhalb von wenigen Sekunden die Leistung der Gasturbine um bis zu 20 % wiederum zu erhöhen. Somit kann innerhalb von sehr kurzer Zeit auf Schwankungen im Stromnetz reagiert werden, was das Stromnetz insgesamt stabilisiert.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Regelung der Leistung einer Gasturbineneinheit (2), die einen Luftkompressor (4), einen Generator (6) und eine Gasturbine (8) umfasst, mit folgenden Verfahrensschritten: Ansaugen von Frischluft (9) in den Luftkompressor (4), Entnahme von komprimierter Luft (10) aus dem Kompressor (4) während oder nach eines Komprimierungsprozesses, Verflüssigen der komprimierten Luft (10) in einem Luftverflüssigungsprozess (12), Leistungsvariation der Gasturbine (8) durch variable Zugabe von flüssiger Luft (13) zum Kompressionsprozess.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (6) der Gasturbineneinheit (2) als Motor (6‘) betrieben wird wobei dieser durch elektrische Energie aus einem Stromnetz betrieben wird und hierdurch der Luftkompressor (4) angetrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nicht entnommene komprimierte Luft (10) nach dem Komprimierungsprozess mit einem Brenngas (14) gemischt wird und die Gasturbine (8) angetrieben wird, wobei der Generator (6) zur Erzeugung von elektrischem Strom angetrieben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als 15 %, insbesondere weniger als 10 % der komprimierten Luft (10) während oder nach dem Komprimierungsprozess aus dem Luftkompressor (4) zu Verflüssigung entnommen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Diffusor (15) vorgesehen ist, durch den die flüssige Luft vor einer Einsaugvorrichtung (16) für Frischluft (9) flächig verteilt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Frischluft (9) durch die verflüssigte Luft (13) auf minimal 2°C abgekühlt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verflüssigte Luft (13) direkt in den Luftkompressor (4) eingeleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Luftkompressor (4) zur Verflüssigung entnommene komprimierte Luft (10) einem Wärmetauschprozess (17) zugeführt wird und dabei abgekühlt wird.
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