DE1207712B

DE1207712B - Gas turbine power plant with storage of a gaseous operating medium

Info

Publication number: DE1207712B
Application number: DES82824A
Authority: DE
Inventors: Dr Erich Pollmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-12-12
Filing date: 1962-12-12
Publication date: 1965-12-23

Description

Gasturbinenkraftanlage mit Speicherung eines gasförinigen Betriebsmittels Kraftanlagen mit Gasturbinen sind bekannt, bei denen ein gasförmiges Betriebsmittel, wie Luft, in Zeiten geringen oder nicht vorhandenen Leistungsbedarfs nach vorangehender Verdichtung in Gasdruckspeichern, z. B. unter Tage, gespeichert wird, und bei denen beim Auftreten eines größeren Leistungsbedarfs an der Gasturbine das gespeicherte Gas als Betriebsmittel dem Druckspeicher entnommen und unter Wärmezufuhr mittels einer Brennkammer od. dgl. der Gasturbine zugeführt wird.Gas turbine power plant with storage of a gaseous operating medium Power plants with gas turbines are known in which a gaseous operating medium, like air, in times of low or nonexistent power demand after the previous one Compression in gas accumulators, e.g. B. underground, is stored, and where when a greater power requirement occurs on the gas turbine, the stored Gas is taken from the pressure accumulator as operating medium and heated by means of a combustion chamber or the like. Is fed to the gas turbine.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, bei derartigen Gasturbinenkraftanlagen eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit herbeizuführen.The invention has for its object in such gas turbine power plants bring about an improvement in profitability.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erzielt, daß die Druckspeicheranlage zusätzlich durch eine bei Gasturbinenanlagen bekannte Wärmespeicheranlage ergänzt wird, die einerseits beim Laden des Druckspeichers eine Speicherung der Wärme des dem Druckspeicher z. B. von einem Verdichter zugeführten Betriebsmittels und damit eine Herabsetzung der Temperatur des gespeicherten Betriebsmittels und andererseits bei Entladung des Druckspeichers eine Vorwärmung des aus dem Druckspeicher kommenden Betriebsmittels vor der Zuführung derselben zu der Gasturbinenanlage ermöglicht.According to the invention, this is achieved in that the pressure storage system additionally supplemented by a heat storage system known from gas turbine systems is, on the one hand, when loading the accumulator, a storage of the heat of the the pressure accumulator z. B. from a compressor supplied equipment and thus a reduction in the temperature of the stored resource and on the other hand when the pressure accumulator is discharged, the one coming out of the pressure accumulator is preheated Allows operating means before the supply of the same to the gas turbine system.

Vorzugsweise kann der Erfindungsgedanke in der Weise verwirklicht werden, daß die Wärmespeicherung unter Verwendung von Wasser als Wärmespeicher durchgeführt wird. Dem zu dem Speicher geführten Warmgas wird dann in dem beispielsweise als Röhrenkessel ausgebildeten Wasserspeicher, der unter einem gewissen Druck gehalten wird, die Wärme entzogen, welche dem Speicherwasser zugeführt wird. Wird bei der Entladung des Druckspeichers durch Zuführung des Druckgases zu der Gasturbinenanlage das Druckgas in entgegengesetzter Richtung durch das kesselförmige Wärmespeichersystem geführt, so wird nunmehr durch die aufgespeicherte Wärme das Druckgas aufgeheizt, bevor es der Kraftanlage bzw. Brennkammer derselben zugeführt wird.The idea of the invention can preferably be implemented in this way that the heat storage is carried out using water as a heat store will. The hot gas led to the memory is then in the, for example, as Tubular boiler formed water storage, which is kept under a certain pressure is withdrawn, the heat that is fed to the storage water. Will be used in the Discharge of the pressure accumulator by supplying the compressed gas to the gas turbine system the pressurized gas in the opposite direction through the boiler-shaped heat storage system led, the compressed gas is now heated by the stored heat, before it is fed to the power plant or combustion chamber of the same.

Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine besonders günstige Ausbildung der Anlage erreicht werden, wenn in der Hochdruckleitung zu dem Druckspeicher ein besonderer Wärmetauscher angewendet wird, der mit einem gesonderten Heißwasserverdrängungsspeicher in Verbindung steht.According to the further embodiment of the invention, a particularly favorable training of the system can be achieved when in the high pressure line too the pressure accumulator a special heat exchanger is used with a separate Hot water displacement storage is in communication.

Statt Wasser kann jedoch auch ein beliebiges anderes festes oder. bewegliches Wärmespeichermittel verwendet werden, beispielsweise eine Masse feinkömiger Wärmeträger aus Stahlsand, Aluminiumkörpern oder kleinen Partikeln aus einer keramischen Masse.Instead of water, however, any other solid or. movable heat storage means are used, for example a mass of fine-grained Heat transfer medium made of steel sand, aluminum bodies or small particles from a ceramic Dimensions.

Die Anordnung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Druckgasspeicherung unter verhältnismäßig niedriger Temperatur erfolgt. Dabei wird ein größerer Verbrauch von Kühlwasser, wie dies unter Umständen andernfalls erforderlich wäre, vermieden.The arrangement according to the invention is characterized in that the Pressurized gas storage takes place at a relatively low temperature. It will a greater consumption of cooling water, as may otherwise be required under certain circumstances would be avoided.

Weitere Vorteile ergeben sich beim Anfahren. Die Wärmespeicherung erlaubt es nämlich, die Turbine kalt anzufahren, ohne daß die Gefahr der Vereisung gegeben ist.There are further advantages when starting up. The heat storage it allows the turbine to be started up cold without the risk of icing given is.

Ferner ist auch die einfache Leitungsführung der Anla-e hervorzuheben.The simple wiring of the system should also be emphasized.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.In the following the invention will be explained in more detail with reference to the drawing will.

Die F i g. 1 gibt das Schaltschema einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Anlage mit einem in der Speicherzuleitung angeordneten Warmwasserspeicher wieder.The F i g. 1 shows the circuit diagram of a system designed according to the invention with a hot water storage tank arranged in the storage line.

In der F i g. 2 ist eine Abwandlung gezeigt, bei welcher der kesselförinige Warmwasserspeicher durch einen in die Druckgaszuleitung zum Speicher eingeschalteten Wärmetauscher ersetzt ist, der mit einem gesonderten Verdrängerspeicher in Verbindung steht.In FIG. 2 shows a modification in which the boiler-like hot water storage tank is replaced by a heat exchanger which is connected to the pressurized gas feed line to the storage tank and which is connected to a separate displacement storage tank.

Die F i g. 3 schließlich gibt eine abgeänderte Ausführung der Anlage wieder, bei der die Wärmespeicherung mittels Masseteilchenströmen erfolgt.The F i g. Finally, 3 shows a modified version of the system in which the heat is stored by means of mass particle flows.

In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bedeutet 1 ein Gasturbinenaggregat, das aus dem Hochdruckteil la, dem Niederdruckteil lb sowie der Hochdruckbrennkammer 2a und der Niederdruckkammer 2b besteht. Die Gasturbine dient zum Antrieb einer Synchronmaschine 3, welche die durch die Gasturbine erzeugte elektrische Energie an ein Ver-C brauchernetz N abgeben kann. Gleichzeitig dient jedoch die Synchronmaschine 3 in den Zeiten, in denen ein Betrieb der Gasturbine nicht erforderlich ist, dazu, nach Lösen der Kupplung 4 über die dann ein-eschalte#e Kupplung 5 das Verdichteraggregat 6 unter Entnahme der Antriebsenergie aus dem Netz N anzutreiben. Das Verdichterag-gregat 6, das aus einem Niederdruckteil 6a, einem Mitteldruckteil 6b und aus einem Hochdruckteil 6c nebst den Zwischenkühlern 7 und 7a besteht, dient dazu, z. B. die der Atmosphäre als Betriebsmittel für die Gasturbine entnommene Luft zu verdichten und einem Druckspeicher 10 zuzuführen. Ein Getriebe 11 verbindet das Verdichteraggregat 6 mit der Welle des Generators 3. In the embodiment of FIG. 1 means 1 a gas turbine unit which consists of the high pressure part la, the low pressure part lb as well as the high pressure combustion chamber 2a and the low pressure chamber 2b . The gas turbine serves to drive a synchronous machine 3, which can deliver the electrical energy generated by the gas turbine to a consumer network N. At the same time, however, the synchronous machine is 3 in the times in which an operation of the gas turbine is not necessary to drive after disengagement of the clutch 4 via the then-ESCH old # e clutch 5, the compressor unit 6 by removal of the driving power from the network N. The compressor unit 6, which consists of a low-pressure part 6a, a medium-pressure part 6b and a high-pressure part 6c in addition to the intercoolers 7 and 7a, is used, for. B. to compress the air taken from the atmosphere as the operating medium for the gas turbine and to feed it to a pressure accumulator 10. A transmission 11 connects the compressor unit 6 to the shaft of the generator 3.

In der Hochdruckverdichterleitung 12 zu dem Druckspeicher 10 ist gemäß der Erfindung ein Wärmespeicher 14 in Form eines Heißwasserkessels eingeschaltet. Eine Speiseleitung 13 führt Druckgas zu der Gasturbinenanlage 1, also zu der Brennkammer 2a. Zwischen dem Wärmespeicher 14 und der Leistung 13 und zwischen dem Wärinespeicher 14 und der Hochdruckverdichterleitung 12 sind zwei Umschaltventile 15 und 16 eingeschaltet, die gegenseitig so verriegelt sind, daß je nach dem Betriebsfall, also bei Ladung des Speichers durch den Verdichter 6 nur das Ventil 15, und bei Betrieb der Gasturbine nach Abschalten des Verdichters 6 nur das Ventil 16 geöffnet ist.According to the invention, a heat accumulator 14 in the form of a hot water boiler is switched on in the high-pressure compressor line 12 to the pressure accumulator 10. A feed line 13 leads pressurized gas to the gas turbine system 1, that is to say to the combustion chamber 2a. Between the heat accumulator 14 and the power 13 and between the heat accumulator 14 and the high-pressure compressor line 12, two switching valves 15 and 16 are switched on, which are mutually locked so that, depending on the operating situation, i.e. when the accumulator is charged by the compressor 6, only valve 15 , and when the gas turbine is in operation after the compressor 6 has been switched off, only the valve 16 is open.

Wie ersichtlich, ermöglicht es die Anlage beim Ladebetrieb, unter Abtrennung des Gasturbinenaggregates von dem Generator 3, den von dem Hochdruckverdichter 6c abgeleiteten Betriebsmittelstrom, der eine gewisse Temperatur, beispielsweisd von 200 bis 2501 C, aufweisen kann, durch den Wärmespeicher 14 hindurchzuführen, wodurch das verdichtete Betriebsmittel gekühlt wird und die vorher darin enthaltene Wärme in das flüssige Speichermittel des Wärmespeichers 14 übergeht. Beim Gasturbinenbetrieb wird der zuvor mit dem Verdichter 6 gekuppelte Generator 3 mit der Gasturbine 1 verbunden. Gleichzeitig werden die Ventile 15 und 16 umgesteuert, so daß das dem Speicher entnommene Betriebsmittel über den Wärinespeicher 14, das Ventil 16 und die Leituno, 13 der Brennkammer 2a zugeführt wird. Infolgedessen kann die dem Wärmespeicher 14 vor dem Laden des Speichers zugeführte Wärme wieder an das Betriebsmittel (Luft) abgegeben werden, bevor es in die Brennkammer 2 a eintritt.As can be seen, the system makes it possible during charging operation, with the gas turbine unit being separated from the generator 3, to pass the operating medium flow derived from the high-pressure compressor 6c, which can have a certain temperature, for example from 200 to 2501 C , through the heat accumulator 14, whereby the compressed operating medium is cooled and the heat previously contained therein passes into the liquid storage medium of the heat accumulator 14. When the gas turbine is in operation, the generator 3 previously coupled to the compressor 6 is connected to the gas turbine 1 . At the same time, the valves 15 and 16 are reversed so that the operating medium removed from the memory is fed to the combustion chamber 2a via the heat accumulator 14, the valve 16 and the conduit 13. As a result, the heat supplied to the heat store 14 before the store is charged can be given off again to the operating medium (air) before it enters the combustion chamber 2a.

Bei der in der F i g. 2 der Zeichnung angedeuteten Abwandlung ist an Stelle eines Heißwasserkessels 14 in der Hochdruckleitung zu dem Druckspeicher 10 ein Wärmetauscher 14a vorhanden, der mit einem besonderen Heißwasserverdrängungsspeicher 17 in Verbindung steht. Eine Pumpe 18 wälzt das zur Wärmespeicherung dienende Wasser um, so daß während des Ladebetriebs Wärme an das Speichermittel übertragen wird. An den Verdrängungsspeicher 17 ist ein äußerer Verbraucher 19 angeschlossen. Während der Entladezeit wird das heiße Speichermittel aus dem Verdrängungsspeicher 17 durch den Wärmetauscher 14a geleitet, so daß das aus dem Druckspeicher 10 kommende kalte Betriebsmittel vorgewärmt wird.In the case of the FIG. 2 of the drawing, instead of a hot water boiler 14 in the high pressure line to the pressure accumulator 10, there is a heat exchanger 14a which is connected to a special hot water displacement accumulator 17 . A pump 18 circulates the water used for heat storage so that heat is transferred to the storage means during the charging operation. An external consumer 19 is connected to the displacement accumulator 17. During the discharge time, the hot storage medium is passed from the displacement accumulator 17 through the heat exchanger 14a, so that the cold operating medium coming from the pressure accumulator 10 is preheated.

Die Anlage kann ohne weiteres derart abgeändert werden, daß die Gasturbine bei schwacher elektrischer Belastung des Generators den Kompressor zum Aufladen des Druckspeichers antreibt. Wie bereits angedeutet, kann statt einer Flüssigkeit für die Wärmespeicherung auch ein anderes Medium verwendet werden, z. B. eine Masse von feinkörnigen Masseteilchen aus Quarzsand, Stahlkörnem od. dgl. Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 ist in die Druckleitung 12 ein Masseteilchenwärmetauscher 20 eingeschaltet. Beim Ladebetrieb wird durch diesen Wärmetauscher 20 aus einem Kaltspeicher 21 ein Masseteilchenstrom niedriger Temperatur geleitet, der durch den warmen Luftstrom in dem Wärmetauscher 20 aufgeheizt und danach durch eine Fördereinrichtung 22 dem Wärmespeicher 23 für die aufgeheizten Masseteilchen zugeleitet wird. Bei Gasturbinenbetrieb wird durch das Ventil 24 der Masseteilchenstrom aus dem Kaltspeicher 21 unterbunden und über das geöffnete Ventil 25 aus dem Wärmespeicher 23 dem Austauscher 20 heiße Speichermasse zugeführt, die zur Aufheizung des von dem Druckspeicher 10 kommenden Betriebsmittels dient. über das geöffnete Ventil 16 und die Brennkammer 2a strömt das Betriebsmittel der Turbine 1 a zu. Nach ihrer Abkühlung wird die zum Aufheizen des Betriebsmittels dienende Speichermasse wieder selbsttätig durch eine Fördereinrichtung 26 in den Kaltspeicher 21 zurückgeführt.The system can easily be modified in such a way that the gas turbine drives the compressor to charge the accumulator when the electrical load on the generator is low. As already indicated, another medium can be used for heat storage instead of a liquid, e.g. B. od a mass of fine-grain mass particles of quartz sand, steel grains. Like. In the embodiment of FIG. 3 , a mass particle heat exchanger 20 is switched into the pressure line 12. During charging, a flow of low-temperature mass particles is passed through this heat exchanger 20 from a cold storage device 21, which is heated by the warm air flow in the heat exchanger 20 and then fed by a conveyor 22 to the heat storage device 23 for the heated mass particles. During gas turbine operation, the flow of mass particles from the cold storage device 21 is prevented by the valve 24 and hot storage mass is supplied to the exchanger 20 via the open valve 25 from the heat storage device 23 , which is used to heat the operating medium coming from the pressure storage device 10. via the open valve 16 and the combustion chamber 2a flows the operating medium of the turbine 1 to a. After it has cooled down, the storage mass used to heat up the operating medium is automatically returned to the cold storage device 21 by a conveying device 26.

Schließlich kann die beschriebene Anordnung auch in der Weise abgeändert werden, daß die verdichtete Luft unmittelbar durch eine ruhende Speichermasse geleitet wird, an die sie beim Laden Wärme abgibt und von der sie beim Entladen des Druckspeichers Wärme entnimmt.Finally, the arrangement described can also be modified in this way that the compressed air is passed directly through a static storage mass to which it gives off heat when charging and from which it releases when the pressure accumulator is discharged Draws heat.

Claims

1. A gas turbine plant with storage of a gasförmiggen operating agent, such as air, the negative pressure accumulated resources taken from the pressure accumulator when the operation of the gas turbine, and preferably heated before the gas turbine to a higher temperature in an accumulator, d a d u rch g e -kennzeichnet that the accumulator unit is supplemented by a heat storage system, on the one hand, storage of the heat of the pressure accumulator (10) for loading the pressure accumulator (10). B. from a compressor, supplied operating medium and thus a reduction in the temperature of the stored operating medium, on the other hand, when the pressure accumulator (10) is discharged, a preheating of the operating medium coming from the pressure accumulator (10) before it is supplied to the gas turbine system.

2. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that a heat accumulator in the form of a hot water boiler (14) is provided for heat storage in the storage line (12). 3. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that a heat exchanger (14 a) is switched on for heat storage in the storage line (12), which is connected to a hot water displacement accumulator (17) and which heats when loading the pressure accumulator (10) transfers from the operating medium to a quantity of water supplied to the hot water displacement accumulator (17) , and that when the pressure accumulator (10) is discharged, the hot water removed from the hot water displacement accumulator (17) enables the operating medium to be heated before it enters the gas turbine system. 4. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that a flowable mass of fine-grained particles is present for heat storage, which is contained in the cold and in the warm state in separate heat storage (21 and 23) and is passed through a heat exchanger (20), which is of the operating medium is flowed through during the loading and unloading of the pressure accumulator (10). 5. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that the compressed operating medium is passed directly through a stationary heat storage mass. Documents considered: German Patent No. 1 040 320; "Energie" magazine, 1959, issue 4, pp. 118 to 124.