DE10236323A1

DE10236323A1 - Kraftwerksanlage und zugehöriges Startverfahren

Info

Publication number: DE10236323A1
Application number: DE10236323A
Authority: DE
Inventors: Velimir Bakran; Peter Keller-Sornig; Ilja Tuschy
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2003-03-06
Also published as: JP2003097293A; US6725663B2; US20030033807A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage (1) DOLLAR A - mit wenigstens einer Turbogruppe (2), umfassend wenigstens eine Turbine (3) und wenigstens einen Hauptbrenner (5), der stromauf der Turbine (3) angeordnet ist, DOLLAR A - mit wenigstens einem Rekuperator (11), der einerseits in einem Gas zur Turbogruppe (2) hinführenden ersten Strömungspfad (15) und andererseits in einem das Gas von der Turbogruppe (2) wegführenden zweiten Strömungspfad (12) angeordnet ist, DOLLAR A - mit wenigstens einem Hilfsbrenner (19), der außerhalb des zweiten Strömungspfads (12) angeordnet ist und ausgangsseitig am oder vor dem Rekuperator (11) an den zweiten Strömungspfad (12) angeschlossen ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage mit wenigstens einer Turbogruppe und einem Rekuperator. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Starten einer derartigen Kraftwerksanlage.

Stand der Technik

Eine Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art umfaßt üblicherweise eine Turbogruppe mit wenigstens einer Turbine und mit wenigstens einem Hauptbrenner, der stromauf der Turbine angeordnet ist und im Betrieb Heißgase erzeugt, mit denen die Turbine beaufschlagt wird. Mit dieser Turbogruppe kann ein Generator zur Stromerzeugung antriebsverbunden sein. Mit Hilfe eines Rekuperators, der einerseits in einem Gas zur Turbogruppe hinführenden ersten Strömungspfad und andererseits in einem Gas von der Turbogruppe wegführenden zweiten Strömungspfad angeordnet ist, wird im Normalbetrieb den aus der Turbogruppe austretenden Gasen Wärme entzogen, um damit die der Turbogruppe zugeführten Gase vorzuheizen. Zur Wirkungsgradsteigerung kann im zweiten Strömungspfad der aus der Turbogruppe austretenden Gase im Rekuperator ein Zusatzbrenner angeordnet sein, mit dem das Temperaturniveau der vorgeheizten, der Turbogruppe zugeführten Gase zusätzlich erhöht werden kann.
Die Kraftwerksanlage kann bei Zeiten geringen Strombedarfs, z. B. Nachts oder Wochenends, oder für Wartungszwecke abgeschaltet werden. Hierdurch kühlen insbesondere die Turbogruppe und der Rekuperator mehr oder weniger ab. Dabei kühlt der Rekuperator in der Regel schneller ab als die Komponenten der Turbogruppe. Damit die Kraftwerksanlage bzw. die jeweilige Turbogruppe möglichst rasch ihre volle Leistung entfalten kann, ist es zweckmäßig, den Rekuperator vorzuwärmen. Bei einer Kraftwerksanlage, die als Gasspeicherkraftanlage ausgebildet ist und deren Turbogruppe mit einer vor dem Hauptbrenner angeordneten Zusatzturbine ausgestattet ist, können dadurch thermische Spannungen in den Komponenten der Zusatzturbine, zum Beispiel in Leitschaufeln und Laufschaufeln, reduziert werden. Durch die Reduzierung thermischer Spannungen kann somit auch die Lebenszeit einzelner Komponenten der Kraftwerksanlage erhöht werden.
Zum Vorwärmen des Rekuperators ist es grundsätzlich möglich, den Rekuperator durch Inbetriebnahme des im Rekuperator angeordneten Zusatzbrenners vorzuwärmen. Hierbei kann es jedoch im Rekuperator, insbesondere beim Zusatzbrenner, lokal zu heißen Zonen oder Stellen kommen, deren Temperatur oberhalb einer Selbstentzündungstemperatur eines Brennstoff-Oxidator- Gemischs liegt, das zum Starten der Turbogruppe dem Hauptbrenner zur Verbrennung zugeführt wird. Derartige heiße Zonen oder Stellen sind dann von Nachteil, wenn ein Versuch zum Zünden des Hauptbrenners fehlschlägt, da dann das brennbare Brennstoff-Oxidator-Gemisch mit diesen heißen Zonen oder Stellen in Kontakt kommt und sich dort in unerwünschter Weise entzünden kann.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art, einen Weg aufzuzeigen, der ein Vorwärmen des Rekuperators ermöglicht, ohne dass dabei die Gefahr von kritischen lokalen Hitzestellen im Rekuperator entsteht.

Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Rekuperator mit Hilfe eines Hilfsbrenners vorzuwärmen, der außerhalb des zweiten Strömungspfades, also insbesondere außerhalb des Rekuperators, angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann besonders einfach gewährleistet werden, dass im zweiten Strömungspfad und somit im Rekuperator an keiner Stelle die kritische Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff-Oxidator- Gemischs erreicht wird. Die Erfindung ermöglicht es somit, für den Fall, dass ein Zündversuch des Hauptbrenners scheitert, die Gefahr einer unerwünschten Selbstentzündung des Brennstoff-Oxidator-Gemischs im Gesamtsystem zu reduzieren bzw. zu vermeiden.

Da der zum Vorwärmen des Rekuperators verwendete Hilfsbrenner außerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnet ist, kann die Temperatur im zweiten Strömungspfad bzw. im Rekuperator an keiner Stelle höher als die Temperatur sein, die das vom Hilfsbrenner erzeugte und in den zweiten Strömungspfad eingespeiste Gas besitzt, wobei diese Temperatur relativ leicht kontrollierbar ist. Insbesondere ist es bei diesem extern angeordneten Hilfsbrenner unerheblich, ob darin lokal die kritische Selbstentzündungstemperatur überschritten wird oder nicht, da der externe Hilfsbrenner auch bei einer Fehlzündung des Hauptbrenners nicht mit dem explosiven Brennstoff-Oxidator-Gemisch in Kontakt kommen kann. Es kann sogar zweckmäßig sein, mit Hilfe des Zusatzbrenners zunächst Heißgase zu erzeugen, deren Temperatur oberhalb der kritischen Selbstentzündungstemperatur liegt, wobei vor der Einspeisung in den zweiten Strömungspfad entsprechende Mengen an kalten Gasen zugemischt werden, um die Temperatur des letztlich dem zweiten Strömungspfad zugeführten Gasgemischs unter die kritische Selbstentzündungstemperatur abzusenken. Vorzugsweise erfolgt diese Zumischung von kaltem Gas bereits innerhalb des Hilfsbrenners, beispielsweise durch eine entsprechende Sekundärgasversorgung.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kraftwerksanlage sowie das Startverfahren nach der Erfindung eignen sich in besonderer Weise zur Verwendung in einem sogenannten "Compressed-Air-Energy-Storage-System", kurz CAES-System. Die Grundidee eines CAES-Systems wird darin gesehen, überschüssige Energie, die von permanent betriebenen Kraftwerken während der Grundlastzeiten erzeugt wird, in die Spitzenlastzeiten zu transferieren. Erreicht wird dies dadurch, dass mit Hilfe der überschüssigen Energie Luft oder ein anderes Gas unter einem relativ hohen Druck in einen Speicher gepumpt wird, aus dem die Luft bzw. das Gas bei Bedarf zur Stromerzeugung entnommen werden kann. Das bedeutet, dass die Energie in Form von potentieller Energie abrufbar bevorratet wird. Als Speicher dienen beispielsweise ausgediente Kohle-, Kalkstein- oder Salzbergwerke.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Entsprechend der Figur weist eine erfindungsgemäße Kraftwerksanlage 1 wenigstens eine Turbogruppe 2 auf, die eine Turbine 3, eine Zusatzturbine 4 und einen Hauptbrenner 5 umfasst. Die dargestellte Kraftwerksanlage 1 ist dabei als Gasspeicherkraftanlage ausgebildet, die einen Gasspeicher 17 aufweist, wobei ein erster Strömungspfad 15 vorgesehen ist, der das im Gasspeicher 17 gespeicherte Gas zur Turbogruppe 2 hinführt. Die gezeigte Kraftwerksanlage 1 bildet somit einen Bestandteil eines CAES-Systems. Üblicherweise arbeitet das CAES-System mit Luft als Speichermedium.
Die Turbine 3 ist dem Hauptbrenner 5 nachgeschaltet und als übliche Gasturbine ausgebildet. Im Unterschied dazu ist die Zusatzturbine 4 dem Hauptbrenner 5 vorgeschaltet und baut auf der Dampfturbinentechnologie auf. Sofern die Zusatzturbine 4 mit Luft beaufschlagt wird, kann diese auch als Luftturbine bezeichnet werden. Die Turbine 3 ist mit der Zusatzturbine 4 über eine gemeinsame Antriebswelle 6 antriebsverbunden. Des weiteren sind die Turbine 3 und die Zusatzturbine 4 ebenfalls über die Antriebswelle 6 mit einem Generator 7 antriebsverbunden, der zur Stromerzeugung dient. Der Hauptbrenner 5 ist in einem internen Strömungspfad 8 der Turbogruppe 2 angeordnet, der einen Ausgang 9 der Zusatzturbine 4 mit einem Eingang 10 der Turbine 3 verbindet. Die Brennstoffversorgung des Hauptbrenners 5 erfolgt in üblicher Weise, so dass auf eine Darstellung entsprechender Komponenten dieser Brennstoffversorgung hier verzichtet worden ist.
Die Kraftwerksanlage 1 umfasst außerdem einen der Turbogruppe 2 zugeordneten Rekuperator 11, der zum einen in einem zweiten Strömungspfad 12 angeordnet ist, der die an einem Ausgang 13 der Turbine 3 austretenden Gase von der Turbine 3 abtransportiert und nach dem Rekuperator 11 bei 14 beispielsweise einer Abgasreinigungseinrichtung oder der Umgebung zuführt. Zum anderen ist der Rekuperator 11 außerdem im ersten Strömungspfad 15 angeordnet, über den ein Eingang 16 der Zusatzturbine 4 mit Gas versorgt wird. Der erste Strömungspfad 15 verbindet dabei die Zusatzturbine 4 über den Rekuperator 11 mit dem Gasspeicher 17. Der Rekuperator 11 arbeitet als Wärmeübertrager, wobei er im Normalbetrieb dem von der Turbine 3 stammenden Gas Wärme entzieht und diese dem für die Zusatzturbine 4 bestimmten Gas zuführt. Um das Energieniveau im Rekuperator 11 zu erhöhen, ist im Rekuperator 11 ein Zusatzbrenner 18 angeordnet, mit dem die Temperatur des von der Turbine 3 stammenden Gases erhöht werden kann. Durch den Rekuperator 11 erhöht sich dadurch auch die Temperatur des der Zusatzturbine 4 zugeführten Gases. Auch hier ist zur Wahrung der Übersichtlichkeit eine Brennstoffversorgung für den Zusatzbrenner 18 nicht dargestellt.
Erfindungsgemäß besitzt die Kraftwerksanlage 1 außerdem einen Hilfsbrenner 19, der außerhalb der Strömungspfade 8, 12, 15 der Turbogruppe 2 angeordnet ist. Der Hilfsbrenner 19 ist ausgangsseitig über eine Zuführungsleitung 20 stromauf des Rekuperators 11 an den zweiten Strömungspfad 12 angeschlossen. Eingangsseitig ist der Hilfsbrenner 19 mit der Ausgangsseite eines Hilfsgebläses oder Hilfskompressors 21 verbunden, dessen Eingangsseite über eine Leitung 22 zum Beispiel mit der Umgebung 23 verbunden ist.
Eine erste Umgehungsleitung 24 verbindet stromab des Rekuperators 11 den ersten Strömungspfad 15 mit dem zweiten Strömungspfad 12 stromauf des Rekuperators 11. Eine zweite Umgehungsleitung 25 verbindet den ersten Strömungspfad 15 stromab des Rekuperators 11 mit dem internen Strömungspfad 8 stromauf des Hauptbrenners 5. Mit Hilfe von Steuerventilen 26, 27, 28 und 29 können die Umgehungsleitungen 24 und 25 aktiviert und deaktiviert werden.
Die erfindungsgemäße Kraftwerksanlage 1 arbeitet wie folgt:
Im Normalbetrieb sind die Ventile 26 und 28 gesperrt, während die Ventile 27 und 29 geöffnet sind. Im Rekuperator 11 wird das für die Turbogruppe 2 vorgesehene Gas erhitzt, bevor es in die Zusatzturbine 4 eingeleitet wird. Hier erfolgt eine erste Entspannung und Energieabgabe an die Antriebswelle 6. Im Hauptbrenner 5 wird die Temperatur des Gases erhöht, bevor es in die Turbine 3 eingeleitet wird. In der Turbine 3 wird das Gas entspannt, wobei weitere Antriebsenergie zum Antrieb des Generators 7 freigesetzt wird. Das entspannte Gas wird dann im Rekuperator 11 zunächst durch den Zusatzbrenner 18 weiter erhitzt und nachfolgend durch Wärmeübertragung an das aus dem Gasspeicher 17 herangeführte Gas gekühlt, um dadurch das Temperaturniveau des der Zusatzturbine 4 zugeführten Gases anzuheben.
Zum Starten der hier gezeigten Kraftwerksanlage 1 sind zunächst der Hauptbrenner 5 und der Zusatzbrenner 18 ausgeschaltet. Mit Hilfe eines Spülvorgangs werden die Strömungspfade 8, 12 und die darin angeordneten Komponenten der Kraftwerksanlage 1 gespült, um dadurch gegebenenfalls darin angesammelte Mengen an einem brennbaren Brennstoff-Oxidator-Gemisch auszutreiben. Nach diesem Spülvorgang wird der Hilfsbrenner 19 aktiviert, wozu auch das Hilfsgebläse 21 eingeschaltet wird. Der Hilfsbrenner 19 wird dann so betrieben, dass dieser erwärmtes Gas über die Zuführleitung 20 in den zweiten Strömungspfad 12 einleitet, wobei für das so dem Rekuperator 11 zugeführte Gas eine Temperatur eingestellt, insbesondere eingeregelt, wird, die unterhalb einer Selbstentzündungstemperatur des zum Starten der Turbogruppe 2 dem Hauptbrenner 5 zugeführten Brennstoff-Oxidator-Gemischs liegt. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Rekuperator 11 und gegebenenfalls das gesamte damit gekoppelte gasführende System bis maximal zu dieser unkritischen Temperatur des vom Hilfsbrenner 19 zugeführten Gases erwärmt werden kann. Während dieser Vorwärmung wird der Rekuperator 11 auch auf dem Strömungspfad 15durchströmt, um eine Temperaturschichtung im Rekuperator 11 zu erreichen. Das auf dem Strömungspfad 15 im Rekuperator 11 erwärmte Gas wird auf dem Strömungspfad 24 um die Turbogruppe 2 geleitet, auf den Strömungspfaden 25 und 8 an der Zusatzturbine 4 vorbei in die Turbine 3 geführt oder passiert die Turbogruppe 2, bevor es in den Strömungspfad 12 tritt. Sobald eine gewünschte Vorwärmtemperatur für den Rekuperator 11 erreicht ist, wird versucht, den Hauptbrenner 5 während der Startphase der Turbogruppe 2 zu zünden. Falls dieser Zündversuch fehlschlägt, wird das dem Hauptbrenner 5 zugeführte Brennstoff-Oxidator-Gemisch nicht verbrannt und gelangt über den zweiten Strömungspfad 12 in den Rekuperator 11. Da in diesem aufgrund der erfindungsgemäßen Vorwärmung lediglich unkritische Temperaturen herrschen, kommt es dabei im Rekuperator 11 nicht zu einer Selbstentzündung dieses Brennstoff-Oxidator-Gemischs.
Erst nach einer erfolgreichen Zündung des Hauptbrenners 5 wird auch der Zusatzbrenner 18 gestartet, um das Temperaturniveau des der Turbogruppe 2 zugeführten Gases zu erhöhen.
Eine Vorwärmung des Rekuperators 11 mit Hilfe des Zusatzbrenners 18 ist nicht gefahrlos möglich, da dabei nicht vermieden werden kann, dass im Rekuperator 11, insbesondere am Zusatzbrenner 18 Zonen oder Stellen auftreten, deren Temperaturen oberhalb der genannten Selbstentzündungstemperatur liegen. Auch beim Hilfsbrenner 19 können innerhalb des Brenners 19 Temperaturen auftreten, die deutlich höher liegen als die genannten Selbstentzündungstemperatur. Da der Hilfsbrenner 19 erfindungsgemäß jedoch extern angeordnet ist, kann einerseits das brennbare Brennstoff-Oxidator- Gemisch nicht mit dem Hilfsbrenner 19 in Kontakt kommen. Andererseits kann die Temperatur des Gases, das über die Zuführungsleitung 20 dem zweiten Strömungspfad 12 oder direkt dem Rekuperator 11 zugeführt wird, durch Vermischung mit kaltem Gas relativ einfach entsprechend abgesenkt werden. Insbesondere ist eine derartige Vermischung der vom Hilfsbrenner 19 unmittelbar erzeugten Heißgase mit kälteren Gasen bereits intern im Hilfsbrenner 19 realisierbar, wobei der Hilfsbrenner 19 dann eine entsprechende Sekundärluftversorgungseinrichtung enthält. Ebenso ist es möglich, kalte Gase erst nach dem Hilfsbrenner 19 in die Zuführungsleitung 20 einzumischen, um die Temperatur des dem Rekuperator 11 zugeführten Gases auf den gewünschten Wert abzusenken.
Obwohl bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform die Kraftwerksanlage 1 als Gasspeicherkraftanlage ausgebildet ist, kann die erfindungsgemäße Kraftwerksanlage grundsätzlich auch als herkömmliche Anlage ausgebildet sein, deren Turbogruppe 2 dann einen mit der Turbine 3 antriebsverbundenen Verdichter aufweist. Da durch die erfindungsgemäßen Merkmale das Startverhalten der Kraftwerksanlage 1 verbessert werden kann, eignet sich die Erfindung in besonderer Weise zur Anwendung in einer Gasspeicherkraftanlage. Denn bei einer Gasspeicherkraftanlage kommt es entsprechend dem Grundgedanken eines CAES-Systems relativ häufig, z. B. täglich, zu einem Startvorgang, um so die Spitzenlasten des Strombedarfs zu bedienen. Ein verbessertes, insbesondere verkürztes, Startverhalten ist daher bei Gasspeicherkraftanlagen von besonderem Nutzen. Bezugszeichenliste 1 Kraftwerksanlage
2 Turbogruppe
3 Turbine/Gasturbine
4 Zusatzturbine/Luftturbine
5 Hauptbrenner
6 Antriebswelle
7 Generator
8 interner Strömungspfad
9 Ausgang von 4
10 Eingang von 3
11 Rekuperator
12 zweiter Strömungspfad
13 Ausgang von 3
14 Abgasreinigungseinrichtung oder Umgebung
15 erster Strömungspfad
16 Eingang von 4
17 Gasspeicher
18 Zusatzbrenner
19 Hilfsbrenner
20 Zuführungsleitung
21 Hilfsgebläse/Hilfskompressor
22 Leitung
23 Umgebung
24 erste Umgehungsleitung
25 zweite Umgehungsleitung
26 Ventil
27 Ventil
28 Ventil
29 Ventil

Claims

1. Kraftwerksanlage
mit wenigstens einer Turbogruppe (2), die wenigstens eine Turbine (3) und wenigstens einen stromauf der Turbine (3) angeordneten Hauptbrenner (5) aufweist,
mit wenigstens einem Rekuperator (11), der einerseits in einem Gas zur Turbogruppe (2) hinführenden ersten Strömungspfad (15) und andererseits in einem das Gas von der Turbogruppe (2) wegführenden zweiten Strömungspfad (12) angeordnet ist,
mit wenigstens einem Hilfsbrenner (19), der außerhalb des zweiten Strömungspfads (12) angeordnet ist und ausgangsseitig am oder vor dem Rekuperator (11) an den zweiten Strömungspfad (12) angeschlossen ist.

2. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung des Hilfsbrenners (19) mit zu erwärmenden Gas ein Hilfsgebläse oder Hilfskompressor (21) stromauf des Hilfsbrenners (19) angeordnet ist.

3. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwerksanlage als Gasspeicherkraftanlage (1) ausgebildet ist, wobei der erste Strömungspfad (15) an einen Gasspeicher (17) stromauf des Rekuperators (11) angeschlossen ist.

4. Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbogruppe (2) wenigstens eine Zusatzturbine (4) aufweist, die stromauf des Hauptbrenners (5) angeordnet ist.

5. Kraftwerksanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) mit der Zusatzturbine (4) antriebsverbunden ist.

6. Verfahren zum Starten einer Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem durch den Betrieb des Hilfsbrenners (19) erwärmtes Gas erzeugt wird, mit dem der Rekuperator (11) vorgewärmt wird, bevor die Turbogruppe (2) gestartet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass während der Vorwärmung der Rekuperator (11) auch auf dem Strömungspfad (15), der im Normalbetrieb das zu erwärmende Gas aus dem Gasspeicher (17) führt, durchströmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Starten der Turbogruppe (2) der Rekuperator (11) auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die unterhalb einer Selbstentzündungstemperatur eines dem Hauptbrenner (5) beim Starten der Turbogruppe (2) zugeführten Brennstoff-Oxidator-Gemischs liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das vom Hilfsbrenner (19) erzeugte erwärmte Gas eine Temperatur eingestellt wird, die unterhalb einer Selbstentzündungstemperatur eines dem Hauptbrenner (5) beim Starten der Turbogruppe (2) zugeführten Brennstoff- Oxidator-Gemischs liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des erwärmten Gases dadurch eingestellt wird, dass einem vom Hilfsbrenner (19) erzeugten Heißgas, dessen Temperatur oberhalb der besagten Selbstentzündungstemperatur liegt, kühleres Gas zugemischt wird, bevor das so gebildete Gasgemisch in den zweiten Strömungspfad (12) eingespeist wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumischung bereits intern im Hilfsbrenner (19) erfolgt.