DE19918346A1

DE19918346A1 - Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Leistungssteigerung und Sicherstellung einer Zusatzleistung einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE19918346A1
Application number: DE1999118346
Authority: DE
Inventors: Erhard Liebig
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 1999-04-22
Publication date: 2000-10-26

Abstract

In einem Speicherbehälter (6) ist Wasser gespeichert. Zur Leistungssteigerung der Gasturbinenanlage (1) wird das Wasser aus dem Speicherbehälter (6) durch eine Leitung (8) in die Gasturbinenanlage (1) eingespritzt. Der Gasturbinenanlage (1) ist abgasseitig (30) ein Abhitzekessel (13) nachgeschaltet. Der Speicherbehälter (6) wird vom Abhitzekessel (13) aus über eine Leitung (14) geladen. Zum Halten der Temperatur im Speicherbehälter (6) wird zeitweilig über die Leitung (14) und die Rezirkulationsleitung (16) Wasser zwischen dem Speicherbehälter (6) und dem Abhitzekessel (13) kreislaufgeführt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Leistungssteigerung und Sicherstellung einer Zusatzleistung einer Gasturbinenanlage, welche Gasturbi nenanlage einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine aufweist. Sie betrifft weiter eine Vorrichtung mit einer Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfah rens und ein Kombikraftwerk mit einer solchen Vorrich tung.

Stand der Technik

Wenn in einem elektrischen Netz, in welches Leistung von verschiedenen Kraftwerken eingespeist wird, ein erhöhter Leistungsbedarf auftritt, muss die Leistung der verfügbaren Kraftwerke erhöht werden. Gleiche Anfor derungen entstehen infolge ungeplanten erzeugerseitigen Ausfalls, sind aber auch bei Netzstörungen und derglei chen denkbar.

Es ist offensichtlich, dass die Leistungs steigerung der Kraftwerke bzw. deren Erzeugereinheiten mit einem möglichst grossen Leistungsgradienten möglich sein sollte, unter anderem aus Gründen der Einhaltung des vorgeschriebenen Frequenzbandes des elektrischen Netzes.

Eine solche Leistungssteigerung kann bei je dem beliebigen Betriebszustand beispielsweise Teillast oder Vollast eines jeweiligen Energieerzeugers erforder lich werden.

Der Begriff der Vollast ist dabei identisch mit den Begriffen der Nennleistung oder der Grenzdauer leistung, also einer oberen Leistung, für welche die An lage für den Dauerbetrieb ausgelegt ist. Unter Teillast wird dabei eine Leistung unterhalb der Grenzdauerleistung und unter Überlast eine Leistung oberhalb der Grenzdauer leistung verstanden. Für die zeitlich begrenzte maximal fahrbare Leistung wird nachfolgend der Begriff Grenzlei stung verwendet.

Leistungssteigerungen sind insbesondere wäh rend netzseitiger Spitzenlastzeiten kritisch, während welchen die jeweiligen Energieerzeuger bereits mit ihrer Grenzdauerleistung (Nennleistung) betrieben werden, und gleichzeitig ein ungeplantes Ereignis auftritt, welches eine kurzzeitige Leistungserhöhung über die Grenzdauer leistung hinaus erfordert.

In diesem Zusammenhang bekannt ist der Aus druck "Primary Response", der sich auf eine Steigerung der Leistung über die angemeldete bzw. aktuell gefahrene Ist- Leistung eines jeweiligen Energieerzeugers mit einem de finierten Leistungsgradienten bezieht. Beispielsweise soll die Zunahme der Leistung von der Ist-Leistung zu einer geforderten ca. 10% höheren Leistung innerhalb 10 Sekunden erfolgen.

Mit "Secondary Response" wird das Halten der Zusatzleistung über einer Ist-Leistung definiert, d. h. beispielsweise der Betrieb mit einer Zusatzleistung von z. B. 8% während einem Zeitraum von z. B. 30 Minuten. Für Fragen von "Primary Response" und "Secon dary Response" sind damit der maximal fahrbare Leistungs gradient, der Betrag der Zusatzleistung in Abhängigkeit der aktuell gefahrenen Ist-Leistung und die maximale Dau er für das Fahren der Zusatzleistung von Interesse. Das Erbringen einer Zusatzleistung sollte mit Ausnahme der Grenzleistung aus jedem Lastpunkt heraus möglich sein.

Unabhängig von den Möglichkeiten der Lei stungssteigerung kommt es im Fall von "Primary Response"- Anforderungen darauf an, durch geeignete Mittel einen möglichst grossen Leistungsgradienten über die Grenzdau erleistung hinaus fahren zu können.

Im Fall von "Secondary Response"-Anforderungen sollte ausgehend von der aktuell gefahrenen Ist-Leistung ein möglichst grosser Leistungsanstieg über einen mög lichst langen Zeitraum sicher gehalten werden können.

Bereits heute werden Gasturbinenanlagen durch ihr gutes dynamisches Verhalten zu "Primary und Secondary Response"-Zwecken herangezogen. Dabei gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, die Leistung einer Gasturbinenanlage zu erhöhen:

1. Erhöhung der oberen Prozesstemperatur (Gasturbineneintrittstemperatur)
2. Erhöhung des Massenstromes durch die Gasturbine.

Die Erhöhung der Prozesstemperatur durch Er höhung der Feuerungsleistung, also des Brennstoffmassen stromes als Mittel der Leistungssteigerung stösst an Grenzen der thermischen Material- und Systembeanspruchung in Form einer maximal zulässigen Temperatur.

Der während einer Leistungserhöhung maximal zulässige Leistungsgradient stösst an Grenzen der thermi schen Material- und Systembeanspruchung in Form eines ma ximal zulässigen Temperaturgradienten.

Eine Leistungssteigerung durch die Erhöhung des Massenstromes durch die Gasturbine kann, abgesehen von den Möglichkeiten der Regelung des Luftmassenstromes, durch Einspritzung eines zusätzlichen Arbeitsmittels in Form von Wasser, Dampf oder eines Wasser-/Dampf-Gemisches erfolgen.

Eine alleinige Erhöhung der Brennstoffzufuhr zur Leistungssteigerung führt zu einer Erhöhung der Tem peratur, insbesondere in der Brennkammer und in der Tur bine, die wie bekannt, wegen der thermischen Material- und Systembeanspruchung in ihrer Höhe und ihrem Gradien ten beschränkt ist.

Das alleinige Einspritzen von Wasser oder Dampf führt zu einer Absenkung der Temperatur der in Strömungsrichtung nach der Einspritzstelle liegenden Kom ponenten. Abgesehen von nicht in allen Fällen positiven Leistungs- und Wirkungsgradeffekten, sind der Einsprit zung eines derartigen zusätzlichen Arbeitsmittels durch negative Temperaturgradienten ebenfalls Grenzen gesetzt.

Der Leistungssteigerung durch Wasser- oder Dampfeinspritzung liegt die Idee zugrunde, beide hin sichtlich der thermischen Belastung gegenläufigen Fahr weisen kombiniert einzusetzen, um

- bei gleicher maximal zulässiger Temperatur eine höhere Leistung und
- bei gleicher instationärer thermischer Be lastung höhere Leistungsgradienten

fahren zu können.

Da das Temperaturpotential einer Gasturbinen anlage bereits im Normalbetrieb ausgeschöpft wird, bleibt für zusätzliche Leistungsanforderungen nur die Möglich keit der Wasser- oder Dampfeinspritzung.

Unter den Bedingungen der Öffnung der Strom märkte entwickeln sich immer neue Anforderungen an die Erzeugungsanlagen insbesondere im Hinblick auf die Lei stungsflexibilität. Daher besteht auch bei Gasturbinenan lagen die Aufgabe, nach neuen Lösungen zu suchen, um einerseits den maximal fahrbaren Leistungsgradienten im Sinne von "Primary Response" zu erhöhen und andererseits eine erbrachte Zusatzleistung im Sinne von "Secondary Re sponse" über einen gewissen Zeitraum zu halten.

Zum Zwecke von Wasser- oder Dampfeinspritzung müssen Pumpen, Behälter, Wasser- oder Dampfnetze bis hin zu Kesselanlagen und Dampfturbinen in ihrer Auslegung diesen Ansprüchen genügen. Damit erhöhen sich einerseits die Investitionen und andererseits wird das Systemverhal ten durch die zusätzlichen Verknüpfungen komplexer. Da die Wasser- bzw. Dampfeinspritzung eine zeitlich limi tierte Fahrweise darstellt, wird durch die zusätzlichen Auslegungszwänge auch der Normalbetrieb beeinflusst.

Darstellung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines zusätzlichen Arbeitsmittels zur schnellen Leistungssteigerung und zeitlich begrenzten Sicherstellung einer Zusatzleistung einer Gasturbinenanlage zu schaffen und dabei den Ein fluss auf die Auslegung, die Gestaltung sowie den Betrieb der Gesamtanlage durch die zusätzlichen Anlagen und Anla geverknüpfungen gering zu halten. Darüber hinaus soll das Verfahren an bestehenden Gasturbinenanlagen und Kombi kraftwerken nachrüstbar sein und sich durch geringe Inve stitionen sowie Betriebskosten auszeichnen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Arbeitsmittel zur Erhöhung des Massendurchsatzes durch die Turbine in min destens einem Speicherbehälter gespeichert wird, und dass zur Leistungserhöhung mindestens zwischen Speicherbehäl ter und Einspritzstelle an der Gasturbinenanlage eine Verbindung erstellt wird, um das in die Gasturbinenanlage in Form eines geregelten Massenstromes eingespritzte zu sätzliche Arbeitsmittel durch eine Entnahme aus dem min destens einen Speicherbehälter bereitzustellen.

Im Falle einer Gasturbinenanlage mit ab gasseitig nachgeschaltetem Abhitzekessel kann das zusätz liche Arbeitsmittel vom Speicherbehälter direkt zum Ein spritzpunkt der Gasturbinenanlage gefördert werden. Das zusätzliche Arbeitsmittel kann aber auch von einer belie bigen Stelle des Abhitzekessels über entsprechende Zu fuhrleitungen zur Gasturbinenanlage gelangen, wobei der mindestens eine Speicherbehälter dazu dient, die vom Ab hitzekessel abgegebene Wasser- bzw. Dampfmenge zur glei chen Zeit diesem wieder auf geeignete Weise zuzuführen.

Ein Verfahren mit einem eine Gasturbinenanla ge enthaltenden Kombikraftwerk ist dadurch gekennzeich net, dass das zusätzliche Arbeitsmittel vom mindestens einen Speicherbehälter wiederum direkt zum Einspritzpunkt der Gasturbinenanlage gefördert, aber auch von einer be liebigen Stelle des Wasser-/Dampf-Kreislaufes zur Gast ur binenanlage gelangen kann, wobei der Speicherbehälter dazu dient, die vom Wasser-/Dampf-Kreislauf abgegebene Wasser- bzw. Dampfmenge zur gleichen Zeit diesem wieder auf geeignete Weise zuzuführen.

Als Entnahmepunkte des Wassers bzw. Dampfes gibt es in Abhängigkeit der Auslegung und Gestaltung des Abhitzekessels bzw. des Wasser-/Dampf-Kreislaufes sowie dessen Komponenten eine Vielzahl von Möglichkeiten. Für den Erfindungsgedanken ist der konkrete Entnahmepunkt je doch nicht relevant.

Unter einem Abhitzekessel wird eine Anlage zur Erwärmung von Wasser oder zur Erzeugung von Dampf mit einer oder mehreren Druckstufen unter Nutzung der Wärme des Abgases einer Gasturbinenanlage verstanden. Die Heiz flächen der Druckstufen sind entsprechend den Temperatur verhältnissen auf der Wasser- bzw. Dampfseite und der Ab gasseite angeordnet.

Für den Erfindungsgedanken ist die konstruk tive Ausführung des Abhitzekessels, das Vorhandensein von bestimmten Heizflächen und Heizflächenreihenfolgen u. dgl. nicht relevant.

Unter einem Wasser-/Dampf-Kreislauf wird ein System bestehend aus Abhitzekessel und Dampfturbine mit möglicherweise nachgeschaltetem Kondensator sowie den da zugehörigen Pumpen und sonstigen Hilfs- und Nebenanlagen sowie den verbindenden Rohrleitungen verstanden.

Unter einem Speicherbehälter wird ein Behäl ter zur Speicherung von Wasser verstanden. Die Druck- und Temperaturbedingungen können dabei in Abhängigkeit des konkreten Einsatzes und der konkreten Anlage von Umge bungsbedingungen bis zu höchsten Parametern reichen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens mit einer Gasturbinenanlage, die einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine aufweist, zeichnet sich durch mindestens einen Speicherbehälter aus, der über ei ne Zufuhrleitung mit mindestens einem Absperrorgan und gegebenenfalls einer Pumpe mit der Gasturbinenanlage in Verbindung steht.

Ein Heizkraftwerk mit einer solchen Vorrich tung, welches Heizkraftwerk einen der Gasturbinenanlage abgasseitig nachgeschalteten Abhitzekessel aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass neben der direkten Ver bindung zwischen Speicherbehälter und Einspritzpunkt auch eine indirekte Verbindung über den Abhitzekessel zum Ein spritzpunkt besteht.

Ein Kombikraftwerk mit einer solchen Vorrich tung, welches Kombikraftwerk einen der Gasturbinenanlage nachgeschalteten Wasser-/Dampf-Kreislauf aufweist, wobei im Abhitzekessel die Abgaswärme der Gasturbine zur Damp ferzeugung genutzt und dieser Dampf einer Dampfturbine zugeführt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass neben der direkten Verbindung zwischen Speicherbehälter und Ein spritzpunkt auch eine indirekte Verbindung über den Was ser-/Dampf-Kreislauf des Kombikraftwerkes zum Einspritz punkt besteht.

Für den Erfindungsgedanken ist der konkrete Ort der Wasser- bzw. Dampfeinspritzung ohne Bedeutung. Möglichkeiten bestehen durch Einspritzung in den Bereich zwischen Verdichteraustritt und Brennkammer, in die Brennkammer im speziellen über die Brenner selbst und nach der Brennkammer entweder direkt in den Gasmassen strom oder indirekt über die Leit- und Laufschaufeln. Vorteilhafterweise sollte die Wasser- bzw. Dampfeinsprit zung an einer Stelle ohne Einfluss auf die Verbrennung bzw. die Flammenstabilität erfolgen. Nachfolgend wird da her allgemein nur von der Zuführung eines zusätzlichen Arbeitsmittels zur Gasturbinenanlage bzw. vom Einspritz punkt gesprochen.

Die Speicherung des zusätzlichen Arbeitsmit tels hängt wesentlich davon ab, ob Wasser oder Dampf ein gespritzt werden soll.

Im Falle der Einspritzung bzw. Entladung ei nes Speicherbehälters in Form von Wasser erfolgt die Speicherung in einem drucklosen oder druckaufgeladenen Wasserbehälter. Speicherbehälter und Einspritzstelle sind über eine Leitung mit entsprechenden Komponenten bzw. Ar maturen verbunden. Das Laden des Speicherbehälters kann aus jedem beliebigen Wasserreservoir/Wassernetz mit Kalt-, Warm- oder Heisswasser erfolgen. Für Gasturbinen anlagen interessant ist der Einsatz derartiger Speicher behälter in Verbindung mit einem Abhitzekessel oder einem Wasser-/Dampf-Kreislauf. Das Entladen des Speicherbehäl ters kann durch Pumpen, eine geodätische Höhendifferenz, eine Druckdifferenz oder eine Kombination dieser Möglich keiten erfolgen.

Im Falle der Einspritzung bzw. Entladung ei nes Speicherbehälters in Form von Dampf erfolgt die Spei cherung des zusätzlichen Arbeitsmittels ebenfalls in Form von Wasser, allerdings bei Sättigungszustand auf einem möglichst hohen Druckniveau. Das Laden des Speicherbehäl ters erfolgt vorteilhaft mit Sattwasser, kann aber auch mit "unterkühltem" Wasser erfolgen, wobei sich dann eine Aufheizung mit Wasser oder Dampf anschliessen sollte, um ein ausreichendes Druck- bzw. Temperaturniveau sicherzu stellen. Zum Laden des Speicherbehälters eignen sich vor allem Kesselanlagen bzw. Wasser-/Dampf-Kreisläufe, wobei der Speicherbehälter dann über entsprechende Leitungssy steme mit der Anlage verbunden ist. Die Entladung des Speicherbehälters erfolgt durch Öffnung gegenüber einem System niedrigeren Druckes. Durch Druckabsenkung kommt es zur Verdampfung des Sattwasserinhaltes im Speicherbehäl ter. Aus diesem Grund spricht man auch von Gefällespei chern. Um in ausreichender Menge bzw. über ausreichende Zeiträume Dampfeinspritzung bzw. Dampfentladung realisie ren zu können, muss der Gefällespeicher über ein ausrei chendes Volumen verfügen. Vor allem aber muss der Druck im aufgeladenen Zustand ausreichend über dem Druck an der Einspritzstelle an der Gasturbinenanlage bzw. der Stelle der Dampfeinbindung am Kessel bzw. im Wasser-/Dampf- Kreislauf liegen.

Unter einem Gefällespeicher wird, wie bereits erläutert, ein Wasserspeicher auf einem erhöhten Druck- und Temperaturniveau bei Sättigungszustand verstanden. Die Entladung des Speicherbehälters erfolgt durch Öffnung gegenüber einem System niedrigeren Druckes, wodurch es bei sinkendem Druck und sinkender Temperatur zur Verdamp fung des Wasserinhaltes kommt.

Gasturbinen können als mechanische Antriebe, in Kombination mit Niederdruckabhitzekesseln in Heiz kraftwerken bzw. in Kombination mit Hochdruckabhitzekes seln und Dampfturbinen in kombinierten Kraftwerken Ein satz finden. Das Laden des Speicherbehälters sowie dass Warmhalten und Aufheizen dessen Inhaltes erfolgt generell in lastschwachen Zeiten. Da der Speicherbehälter gegebe nenfalls gegen Auskühlung entsprechend isoliert ist, wird die Betriebsbereitschaft über längere Zeiträume aufrecht erhalten. Damit ist ein Einsatz zum Zwecke von Wasser- oder Dampfeinspritzung im Sinne von "Primary und Seconda ry Response" ohne Vorbereitung möglich. Durch den vorge sehenen Speicherbehälter wird damit die Beeinflussung durch die von der Wasser- bzw. Dampfeinspritzung ausge henden Anforderungen und Anlagen auf das Gesamtsystem in starkem Masse begrenzt.

In den bisherigen und nachfolgenden Erläute rungen wird nur vom Speicherbehälter gesprochen. Selbst verständlich können auch mehrere Speicherbehälter zu "ei nem grossen Speicherbehälter" zusammengeschaltet sein. Für den Erfindungsgedanken ist die Anzahl, die Form, die konstruktive Ausführung u. dgl. des oder der Speicherbe hälter nicht relevant.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Prinzipskizzen dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem aufbereitetes Wasser enthaltenden Speicherbehälter und einer geodätischen Höhendifferenz;

Fig. 2 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem aufbereitetes Wasser enthaltenden Speicherbehälter und einer Förderpumpe;

Fig. 3 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem unter Druck stehenden aufbereitetes Wasser enthaltenden Speicherbehälter;

Fig. 4 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem Abhitzekessel und einen mit Dampf aus dem Abhitzekessel beaufschlagten Speicherbehälter;

Fig. 5 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem Abhitzekessel und einen mit Wasser aus dem Abhitzekessel beaufschlagten Speicherbehälter;

Fig. 6 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem Abhitzekessel und einen mit Dampf aus dem Abhitzekessel beaufschlagten Gefällespeicher zur Dampfeinspritzung;

Fig. 7 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem Abhitzekessel und einen mit Wasser aus dem Abhitzekessel beaufschlagten Gefällespeicher zur Dampfeinspritzung; und

Fig. 8 zeigt ein Kombikraftwerk, wobei der Abhitzekessel ein Trommelkessel ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch eine Gasturbinenan lage 1 mit einem Verdichter 2, einer Brennkammer 3, einer Turbine 4 und einem Generator 5.

Oberhalb der Gasturbinenanlage 1 ist ein Speicherbehälter 6 angeordnet. Dieser Speicherbehälter 6 ist mit aufbereitetem Wasser angefüllt, das von irgendei ner zweckdienlichen Quelle her über einen Einlass 7 ein gefüllt wurde. Vom Speicherbehälter 6 erstreckt sich eine, Leitung 8 zur Brennkammer 3, in welcher ein Absperrorgan 9 angeordnet ist. Das Absperrorgan 9 hat' neben der Schliess- bzw. Öffnungsfunktion gleichzeitig die Funktion der Regelung des Massenstromes des zusätzlichen Arbeits mittels.

Bei den beschriebenen Ausführungen ist je weils nur ein einzelner Speicherbehälter 6 dargestellt. Selbstverständlich können auch mehrere Speicherbehälter zu "einem grossen Speicherbehälter" zusammengeschaltet sein. Für den Erfindungsgedanken ist die Anzahl, die Form, die konstruktive Ausführung und dergleichen des oder der Speicherbehälter nicht relevant.

Das Speichervolumen des Speicherbehälters 6 ist derart gewählt, dass mit dem gespeicherten Volumen, bzw. der gespeicherten Masse die eingangs genannten Fo r derungen gemäss "Primary Response" und "Secondary Respon se" erfüllt werden können.

Bei dieser Ausführung ist angenommen, dass der Speicherbehälter 6 derart hoch über der Brennkammer 3 angeordnet ist, dass die geodätische Fallhöhe des Wassers zum Eindüsen desselben in die Brennkammer 3 der Gasturbi nenanlage 1 genügt.

Somit muss im Falle einer kurzfristig erfor derlichen Leistungssteigerung der Gasturbinenanlage 1 le diglich das Absperrorgan 9 kontrolliert geöffnet werden, um in Kombination mit einem erhöhten Brennstoffmassen strom einen entsprechenden Wassermassenstrom in die Brennkammer 3 einzuspritzen.

Das zusätzliche Arbeitsmittel in Form von Wasser oder bei nachfolgend beschriebenen Ausführungen in Form von Dampf muss entsprechend den Reinheitsanforderun gen der Gasturbinenanlage 1 aufbereitet und gegebenen falls chemisch konditioniert sein.

Die Brennkammer 3 als Einspritzpunkt des zu sätzlichen Arbeitsmittels ist nur als Beispiel in den Fi guren und in den Erläuterungen zu verstehen. Als Möglich keiten für die Zuführung des zusätzlichen Arbeitsmittels, abhängig von den konstruktiven Gegebenheiten der Gastur binenanlage 1, kommen der Bereich zwischen dem Verdich teraustritt und der Turbine 4 in Frage.

Der Massenstrom des zur Leistungserhöhung der Brennkammer 3 zusätzlich zugeführten Brennstoffes ist auf die Temperatur und den Massenstrom des zusätzlich zuge führten Arbeitsmittels in der Form abgestimmt, dass unzu lässige Betriebszustände sicher vermieden werden.

Die Bezugsziffer 29 bezeichnet eine mögli cherweise vorhandene Apparatur zur Regelung der Tempera tur des in die Gasturbinenanlage 1 einzuspritzenden zu sätzlichen Arbeitsmittels. Eine solche Apparatur 29 kann bei sämtlichen Ausführungen vorhanden sein.

Der Aufbau der in der Fig. 2 gezeigten Aus führung gleicht weitgehend dem Aufbau nach Fig. 1, so dass sich eine nochmalige Beschreibung erübrigt. Die Be zugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie in der Fig. 1. In der zwischen dem Speicherbehälter 6 und der Brenn kammer 3 verlaufenden Leitung 8 ist zusätzlich zum Ab sperrorgan 9 eine Pumpe 10 angeordnet. Mit der Pumpe 10 wird der zum Einspritzen des Wassers in die Brennkammer 3 erforderliche Druck erzeugt. Im Falle einer kurzfristig erforderlichen Leistungssteigerung der Gasturbinenanlage 1 wird die Pumpe 10 in Betrieb gesetzt und anschliessend das Absperrorgan 9 kontrolliert geöffnet, um in Kombina tion mit einem erhöhten Brennstoffmassenstrom einen ent sprechenden Wassermassenstrom in die Brennkammer 3 einzu spritzen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, wobei dieselben Bezugszeichen für dieselben Elemente wie in den Fig. 1 und 2 verwendet wurden.

Der Speicherbehälter 6 dieser Ausführung ist als Druckbehälter ausgebildet. Im Raum 11 über dem Was serspiegel des Speicherbehälters 6 befindet sich Dampf oder ein Druckgas, beispielsweise Druckluft, welches mit tels einer Druckluftquelle 12 eingebracht wird. Wird das Absperrorgan 9 kontrolliert geöffnet, wird auf Grund des im Raum 11 vorhandenen Überdrucks das Wasser zur Brenn kammer 3 gefördert.

Als zweckdienliche Quellen zum Füllen der Speicherbehälter in den Fig. 1-3 kommen neben Wassernet zen auch Kraftwerks- und Industrieanlagen in Frage.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei welcher der Gasturbinenanlage 1 abgasseitig 30 ein Abhitzekessel 13 nachgeschaltet ist.

Der Speicherbehälter 6 und der Abhitzekessel 13 sind über die (Dampf-)Leitung 14 mit dem Absperrorgan 15 und die Rezirkulationsleitung 16 mit dem Absperrorgan 17 und erforderlichenfalls der Pumpe 18 miteinander ver bunden. Über die Rezirkulationsleitung 16 kann der Was serstand im Speicherbehälter 6 geregelt werden.

Der Speicherbehälter 6 kann aus einer zweck dienlichen Quelle aber auch über den Abhitzekessel 13 mit Wasser gefüllt werden.

Falls die Temperatur des Wassers im Speicher behälter 6 nicht den Betriebserfordernissen genügt, kann der Speicherinhalt durch Einführung und Kondensation von Dampf aus dem Abhitzekessel 13 über die Leitung 14 aufge heizt werden. Überschüssiges Wasser wird über die Rezir kulationsleitung 16 zum Abhitzekessel 13 zurückgeführt. Anstelle des Abhitzekessels 13 kann auch ein Dampfnetz, eine Kraftwerks- und Industrieanlage und der gleichen zum Zwecke des Aufwärmens und Warmhaltens zum Einsatz gelangen.

Vom Speicherbehälter 6 verläuft die Leitung 8 zur Brennkammer 3. In dieser Leitung 8 befindet sich ent sprechend Fig. 2 ein Absperrorgan 9 und eine Pumpe 10. Abhängig von den Temperaturbedingungen im Speicherbehäl ter 6 kann Wasser auf unterschiedlichem Temperaturniveau in die Brennkammer 3 eingespritzt werden.

Im Falle einer auf erhöhtem Temperaturniveau erfolgenden Wasserspeicherung erfolgt ein Aufheiz- oder Warmhaltebetrieb vorzugsweise während einer Teillastfahr weise oder nach längeren Stillständen direkt im Anschluss an das Starten der Anlage bzw. nach einem Wiederauffüllen des Speicherbehälters zur Herstellung der Betriebsbereit schaft im Falle einer Entleerung. Damit wird der Einfluss des Speicherbehälters auf den Anlagenbetrieb minimiert. Durch die Isolation des Speicherbehälters gegen Wärmever lust machen sich Aufheiz- und Warmhaltephasen nur in zeitlich grösseren Abständen erforderlich. Diese Aussage gilt selbstverständlich auch für die nachfolgenden Aus führungsbeispiele.

Die Ausführung nach Fig. 5 entspricht weitge hend der Ausführung nach Fig. 4 mit der Ausnahme, dass dem Speicherbehälter 6 aus dem Abhitzekessel 13 Wasser auf erhöhtem Temperaturniveau zugeführt wird. In der zum Speicherbehälter 6 verlaufenden (Wasser)-Leitung 14 ist erforderlichenfalls eine Pumpe 18 angeordnet.

Die Leitung 14 mit der Pumpe 18 wird zum Fül len des Speicherbehälters 6 und falls notwendig auch zum Warmhalten oder Wiederaufheizen des sich im Speicherbe hälter 6 befindlichen Wassers mittels einer Rezirkulation benutzt. Der Speicherbehälter 6 kann auch aus einer zweckdienlichen Quelle, z. B. Wassernetzen, Kraftwerks- und Industrieanlagen und dergleichen gefüllt und warmge halten werden. Diese Aussage gilt auch für die nachfol genden Ausführungsbeispiele.

Die Ausführung nach Fig. 6 zeigt eine Gastur binenanlage 1 mit einem Verdichter 2, einer Brennkammer 3, einer Turbine 4 und dem Generator 5. Der Gasturbinen anlage 1 ist abgasseitig 30 ein Abhitzekessel 13 nachge schaltet. Bei dieser Ausführung wird analog zur Ausfüh rung nach Fig. 4 das Wasser im Speicherbehälter 6 mit Dampf erforderlichenfalls erwärmt bzw. warmgehalten. Je doch wird zur Leistungserhöhung aus dem Speicherbehälter 6 Dampf in die Brennkammer 3 eingespritzt, welcher Dampf durch die Druckabsenkung im Speicherbehälter 6 durch kon trolliertes Öffnen des Absperrorgans 9 entsteht.

Zur Sicherstellung der Funktionsweise dieses Gefällespeichers muss der zur Temperatur des im Speicher behälter befindlichen Wassers gehörige Sättigungsdruck ausreichend über dem Druck an der Einspritzstelle der Gasturbinenanlage liegen. Zur Sicherstellung einer zeit lich genügend langen Dampfeinspritzung muss die Druckdif ferenz und das Speichervolumen ausreichend gross sein.

Bei der Ausführung nach Fig. 7 wird das Was ser im Speicherbehälter 6 analog zur Ausführung nach Fig. 5 mit Wasser mit ausreichend hoher Temperatur erforder lichenfalls erwärmt bzw. warmgehalten, wobei jedoch zur Leistungssteigerung Dampf, analog zur Ausführung nach Fig. 6, in die Brennkammer 3 eingespritzt wird.

Die Fig. 8 zeigt am Beispiel eines Kombi- kraftwerkes mögliche Ausführungen, wie ein Gefällespei cher 6 geladen und zur Leistungssteigerung der Gasturbi nenanlage 1 durch Dampfeinspritzung entladen werden kann. Gezeigt ist eine Gasturbinenanlage 1 mit einem Verdichter 2, einer Brennkammer 3, einer Turbine 4 und dem Generator 5. Der Gasturbinenanlage 1 ist abgasseitig 30 ein Abhit zekessel 13 nachgeschaltet.

Als beispielsweisen Verbraucher des im Abhit zekessel 13 erzeugten Dampfes ist eine Dampfturbogruppe mit Dampfturbine 19 und Generator 20 dargestellt. Der Ab dampf der Dampfturbine 19 wird im Kondensator 27 konden siert. Das Kondensat wird über die Kondensat- bzw. Spei sewasserpumpe 28 und die Kondensat- bzw. Speisewasserlei tung 26 erneut dem Abhitzekessel 13 zugeführt.

Der Abhitzekessel 13 ist als Trommel-Abhitze kessel ausgebildet und enthält einen Economizer 21, Ver dampfer 22, Überhitzer 23 sowie eine Trommel 24.

Die am Austritt des Überhitzers 23 anschlies sende Frischdampfleitung 25 verläuft zur Dampfturbine 19.

Das Laden und Entladen des Speicherbehälters 6 kann auf vielfältige Weise erfolgen.

So kann beispielsweise das Füllen bzw. Laden und Warmhalten des Speicherbehälters 6 entsprechend der vorangehenden Figuren vom Economizer 21, von der Trommel 24, vom Überhitzer 23 des Abhitzekessels 13 aber auch von entsprechenden Wasser- und Dampfleitungen des Wasser-/Dampf-Kreislaufes 31 inklusive der Dampfturbine 19 erfol gen.

Zum Wasser-/Dampf-Kreislauf 31 gehören neben dem Abhitzekessel 13 und der Dampfturbine 19 mit dem Kon densator 27 auch die Kondensat- bzw. Speisewasserpumpe 28, die verbindenden Rohrleitungen 25, 26 sowie eine Vielzahl nicht dargestellter Hilfs- und Nebenanlagen. Das Entladen des Speicherbehälters 6 kann di rekt über die Verbindung A und die Leitung 8 in die Ga sturbinenanlage 1 erfolgen.

Die Entladung des Speicherbehälters 6 kann jedoch zur Sicherstellung beispielsweise gewisser Tempe raturforderungen auch indirekt in den Abhitzekessel 13 (Verbindungen C₁ oder C₂), die Dampfturbine 19 (Verbindung C₃) oder andere Komponenten des Wasser-/Dampf-Kreislaufes 31 erfolgen.

Die Zuführung des zusätzlichen Arbeitsmittels zur Gasturbinenanlage 1 erfolgt dann vom Abhitzekessel 13, wie mit B₁ gezeigt, der Dampfturbine 19, wie mit E₂ ge zeigt, oder anderen Komponenten des Wasser-/Dampf- Kreislaufes 31.

Der Speicherbehälter 6 dient in diesem Fall dazu, die beispielsweise vom Abhitzekessel 13 abgegebene Wasser- bzw. Dampfmenge zur gleichen Zeit diesem oder ei ner anderen Komponente des Wasser-/Dampf-Kreislaufes 31 auf geeignete Weise wieder zuzuführen.

Die konkreten Verknüpfungen zwischen Spei cherbehälter 6 und Wasser-/Dampf-Kreislauf 31 bzw. Was ser-/Dampf-Kreislauf 31 und Gasturbinenanlage 1 sind ab hängig von der Auslegung und Gestaltung des Wasser-/Dampf-Kreislaufes 31 bzw. dessen Komponenten.

Die Funktion des Wasser-/Dampf-Kreislaufes 31 bzw. dessen Komponenten können auch andere Systeme wie beispielsweise Wasser- und Dampfnetze, Kraftwerks- und Industrieanlagen usw. übernehmen.

Aus den oben beschriebenen Ausführungen geht hervor, dass die Speicherbehälter die Auslegung einer je weiligen Anlage kaum beeinflussen. Der einer Gasturbinen anlage nachgeschaltete Abhitzekessel bzw. der Wasser-/Dampf-Kreislauf eines Kombikraftwerkes bleibt durch die erfindungsgemässe Anordnung des Speicherbehälters nahezu unbeeinflusst.

Es ist sogar möglich, beispielsweise eine be stehende Anlage mit einer der obigen Ausführungen nachzu rüsten, ohne dass die bestehende Anlagestruktur beein flusst wird.

Das Speichervolumen der Speicherbehälter kann unterschiedlich festgelegt werden. Kleinste Volumen wür den nur für "Primary Response"-Zwecke genügen. Zweckmässi gerweise sollten die Speichervolumen derart ausgelegt werden, dass diese den Anforderungen im Sinne von "Prima ry Response" und "Secondary Response" genügen. Es ist auch möglich, mit noch grösseren Speichervolumen zu arbeiten, so dass es weniger oft notwendig ist, einen jeweiligen Speicherbehälter zu laden.

Bezugszeichenliste

1

Gasturbinenanlage

2

Verdichter

3

Brennkammer

4

Turbine

5

Generator

6

Speicherbehälter

7

Einlass

8

Leitung (von Speicherbehälter zu Brennkammer)

9

Absperrorgan

10

Pumpe

11

Raum (über Wasserspiegel in Speicherbehälter

6

)

12

Druckluftquelle

13

Abhitzekessel

14

Leitung (von Abhitzekessel zu Speicherbehälter)

15

Absperrorgan

16

Rezirkulationsleitung

17

Absperrorgan

18

Pumpe

19

Dampfturbine

20

Generator

21

Economizer

22

Verdampfer

23

Überhitzer

24

Trommel

25

Frischdampfleitung

26

Kondensat-/Speisewasserleitung

27

Kondensator

28

Kondensat-/Speisewasserpumpe

29

Apparatur zur Temperaturregelung (Wärmeüber trager, Wasser- bzw. Dampfmischung)

30

Abgas (der Turbine

4

)

31

Wasser-/Dampf-Kreislauf

Claims

1. Verfahren zur schnellen Leistungssteige rung und Erstellung einer Zusatzleistung einer Gas turbinenanlage, welche Gasturbinenanlage (1) einen Ver dichter (2), eine Brennkammer (3) und eine Turbine (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Arbeitsmittel zur Erhöhung des Massendurchsatzes durch die Turbine (4) in mindestens einem Speicherbehälter (6) gespeichert wird, und dass zur Leistungssteigerung minde stens zwischen Speicherbehälter (6) und Einspritzstelle an der Gasturbinenanlage (1) eine Verbindung erstellt wird, um das in die Gasturbinenanlage (1) in Form eines geregelten Massenstromes eingespritzte zusätzliche Ar beitsmittel durch Entnahme aus dem mindestens einen Spei cherbehälter (6) bereitzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass zum Einspritzen des zusätzlichen Arbeits mittels eine direkte Verbindung zwischen dem mindestens einen Speicherbehälter (6) und der Gasturbinenanlage (1) erstellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das zusätzliche Arbeitsmittel zur Erhöhung des Massendurchsatzes durch die Turbine (4) aus einem Kreislauf zur Versorgung eines Arbeitsmittelverbrauchers entnommen und zur Aufrechterhaltung der Versorgung des Arbeitsmittelverbrauchers der entnommene Massenstrom durch eine entsprechende Entnahme aus dem mindestens einen Speicherbehälter (6) und Zufuhr zum Versorgungs- Kreislauf ausgeglichen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das zusätzliche Arbeitsmittel aus einer zweckdienlichen Quelle in den mindestens einen Speiche r behälter (6) eingebrachtes und für die Bedingungen der Gasturbinenanlage (1) aufbereitetes Wasser ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung des Massenstromes des zusätzlichen Arbeitsmittels vom minde stens einen Speicherbehälter (6) zum Einspritzpunkt der Gasturbinenanlage (1), durch Ausnützung einer geodäti schen Höhendifferenz und/oder eine Pumpe (10) und/oder durch eine Druckdifferenz erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung des Massenstromes des zusätzlichen Arbeitsmittels vom minde stens einen Speicherbehälter (6) zum Versorgungskreislauf und vom Versorgungskreislauf zum Einspritzpunkt der Ga sturbinenanlage (1) durch Ausnützung einer geodätischen Höhendifferenz und/oder eine Pumpe (10) und/oder eine Druckdifferenz erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Speicherbehälter (6) von einer zweckdienlichen Quelle, wie einem Wassernetz, einem Abhitzekessel (13), einem Wasser-/Dampf-Kreislauf (31), einer Kraftwerks- oder In dustrieanlage her gefüllt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Ar beitsmittel im mindestens einen Speicherbehälter (6) mit tels Wasser oder Dampf, mit den Speicherbedingungen ent sprechenden Parametern, von einer zugeordneten Quelle aufgeheizt oder warmgehalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass die zugeordnete Quelle ein Wasser- oder Dampfnetz, ein Abhitzekessel (13), ein Wasser-/Dampf-Kreislauf (31) oder eine Kraftwerks- oder Indu strieanlage ist.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sich im min destens einen Speicherbehälter (6) befindliche zusätzli che Arbeitsmittel Wasser ist, welches aufgewärmt und warm gehalten wird und dessen Temperatur im Grenzfall mit der zum Systemdruck gehörenden Sättigungstemperatur überein stimmt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, dass das vom mindestens einen Spei cherbehälter (6) direkt oder von einem mit diesem Spei cherbehälter (6) in Verbindung stehenden Kreislauf zur Versorgung eines Arbeitsmittelverbrauchers, wie ein Ab hitzekessel (13), ein Wassernetz, ein Wasser-/Dampf- Kreislauf (31), eine Kraftwerks- oder Industrieanlage, in die Gasturbinenanlage (1) eingebrachte zusätzliche Ar beitsmittel Wasser auf unterschiedlichem Temperaturniveau ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, dass das vom mindestens einen Spei cherbehälter (6) direkt oder von einem mit diesem Spei cherbehälter (6) in Verbindung stehenden Kreislauf zur Versorgung eines Arbeitsmittelverbrauchers, wie ein Abhitzekessel (13), ein Dampfnetz, ein Wasser-/Dampf- Kreislauf (31), eine Kraftwerks- oder Industrieanlage, in die Gasturbinenanlage (1) eingebrachte zusätzliche Ar beitsmittel Dampf auf unterschiedlichem Temperaturniveau ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, dass zum Zwecke der Erzeugung und Abgabe von Dampf im mindestens einen Speicherbehälter (6) Satt wasser mit einem Druck über dem Druck an der Einspritz stelle der Gasturbinenanlage (1) bzw. über dem Druck an der Zuführung zum Kreislauf zur Versorgung eines Arbeits mittelverbrauchers gespeichert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Gasturbinenanlage (1) Teil eines Kombikraftwerkes ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Ar beitsmittel vom mindestens einen Speicherbehälter (6) di rekt zum Einspritzpunkt der Gasturbinenanlage (1) oder von einer beliebigen Stelle des Wasser-/Dampf-Kreislaufes (31) zur Gasturbinenanlage (1) gefördert wird, wobei der mindestens eine Speicherbehälter (6) dazu dient, die vom Wasser-/Dampf-Kreislauf (31) abgegebene Wasser- bzw. Dampfmenge zur gleichen Zeit diesem wieder auf geeignete Weise zuzuführen.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens nach Anspruch 1 mit einer Gasturbinenanlage (1), welche einen Verdichter (2), eine Brennkammer (3) und eine Turbine (4) aufweist, gekennzeichnet durch minde stens einen Speicherbehälter (6) und durch eine mit der Gasturbinenanlage (1) in Verbindung stehende Zufuhrlei tung (8), mit mindestens einem Absperrorgan (9).

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, dass in der Zufuhrleitung (8) eine Appara tur (29) zur Regelung der Temperatur des in die Gasturbi nenanlage (1) einzuspritzenden zusätzlichen Arbeitsmit tels angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, dass der mindestens eine Speicherbehälter (6) über die Zufuhrleitung (8) unmittelbar mit der Ga sturbinenanlage (1) in Verbindung steht, wobei gegebenen falls in der Zufuhrleitung (8) eine Pumpe (10) angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, dass der mindestens eine Speicherbehälter (6) mit einem System zur Versorgung eines Arbeitsmittel verbrauchers in Verbindung steht, das seinerseits über die Zufuhrleitung (8) mit der Gasturbinenanlage (1) in Verbindung steht.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, dass das System zur Versorgung eines Ar beitsmittelverbrauchers ein Wasser- oder Dampfnetz, ein Wasser-/Dampf-Kreislauf (31) oder eine Kraftwerks- oder Industrieanlage ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Gasturbinenanlage (1) ein vom Abgas (30) der Turbine (4) beheizter Abhitzekessel (13) nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Speicherbehälter (6) mit dem Abhitzekessel (13) in Verbindung steht.

21. Heizkraftwerk mit einer Vorrichtung nach Anspruch 15, welches Heizkraftwerk einen der Gasturbinen anlage (1) nachgeschalteten Abhitzekessel (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass neben der direkten Verbin dung zwischen Speicherbehälter (6) und Einspritzpunkt auch eine indirekte Verbindung über den Abhitzekessel (13) zum Einspritzpunkt besteht.

22. Kombikraftwerk mit einer Vorrichtung nach Anspruch 15, welches Kombikraftwerk einen der Gasturbi nenanlage (1) nachgeschalteten Wasser-/Dampf-Kreislauf (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr leitung (8) zur Gasturbinenanlage (1) mit dem Wasser-/Dampf-Kreislauf (31) in Verbindung steht.

23. Kombikraftwerk nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Speicherbehälter (6) mit dem Wasser-/Dampf-Kreislauf (31) in Verbindung steht, um das von demselben zur Gasturbinenanlage (1) ab gezweigte Arbeitsmittel zu ersetzen.