DE4213023A1

DE4213023A1 - Verfahren zum Betrieb eines Gasturbogruppe

Info

Publication number: DE4213023A1
Application number: DE4213023A
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Frutschi
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1992-04-21
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 1993-10-28
Also published as: US5386687A; EP0566868B1; DE59301700D1; CZ68193A3; JPH0610706A; KR930021925A; CA2093185A1; JP3340505B2; EP0566868A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Be trieb einer Gasturbogruppe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

In einer thermischen Kraftwerksanlage, insbesondere einer Luftspeicheranlage, können für die Turbinenkühlung beson dere Probleme auftreten. Diese entstehen durch das für die Kompatibilität mit einem wirtschaftlich tragbaren Druckluftspeicher erforderlichen sehr hohen Druckverhält nis von etwa 30 : 1 bis 70 : 1, welches, wiederum aus wirtschaftlichen Gründen, mindestens eine Zwischener hitzung der Expansion der Turbine erfordert. Dabei ergibt sich für die Hochdruckturbine, im folgenden HD-Turbine genannt, ein wesentlich kleineres Wärme- bzw. Temper aturgefälle als für die Niederdruckturbine, im folgenden ND-Turbine genannt. Bei einer Luftspeichergasturbine, bei welcher der Verdichter mit einer Zwischenkühlung aus gerüstet ist, wird durch die motorisch arbeitende elek trische Maschine Druckluft in eine Speicherkaverne be fördert. Ein Luft/Wasser-Wärmetauscher kühlt die von der letzten Kompressoreinheit kommende warme Druckluft zwecks Minderung ihres spezifischen Volumens ab und führt die Wärme in eine Druckwasser-Speicheranlage über, wobei während dieses sogenannten Ladebetriebes die entsprechen den Absperrorgane geöffnet sind. Soll nun aus der gespei cherten Druckluft wieder elektrische Energie erzeugt wer den, wird über eine Steuerung die Verdichtergruppe abge fahren. Durch Öffnen des entsprechenden Abschlußorgans wird die Turbinengruppe, beispielsweise bestehend aus einer HD-Turbine, einer ND-Turbine und der nun genera torisch zu betreibenden elektrischen Maschine angefahren. Dies geschieht zunächst nur durch Druckluft aus dem Spei cher, welche im Wärmetauscher durch das gespeicherte Heißwasser vorgewärmt wird. Nach dem Zünden in der Brennkammer kann die Produktion von elektrischer Energie aufgenommen werden. Es ist aber auch möglich, die Anlage bei entsprechender Disposition der Absperrorgane und Kupp lungen als Gasturbine durchgeschaltet arbeiten zu lassen. Dabei kann gleichzeitig etwas Luft gespeichert werden, oder aus der Kaverne entnommen werden. Eine solche Anlage kann den heutigen Wirtschaftlichkeitsvor gaben bezüglich Verminderung des Brennstoffverbrauches nicht mehr Stand halten, wobei hinzu kommt, daß solche Anlagen die heutigen vorzuweisenden maximalen Schadstoff- Emissionswerte nicht zu erfüllen vermögen. Zwar ist es richtig, daß zur Erzeugung von Dampf ein Abhitzekessel zugeschaltet werden kann. Der so erzeugte Dampf kann einer Dampfturbinengruppe zugeführt werden, oder er wird der Gasturbinengruppe nach bekannten Arten direkt zugeleitet. Ob die eine oder die andere Methode zur Nutzung des Dampfes bevorzugt wird, hängt von der Be triebsdauer im Turbinenbetrieb ab. Für weniger als ca. 2- 4 Stunden pro Tag wird Dampfeinblasung richtig sein. Wird nun eine solche thermische Kraftwerksanlage optimiert, ergibt sich bei den dem Stand der Technik entsprechenden Heißgastemperaturen am Eintritt in die HD-Turbine eine derart hohe Austrittstemperatur der Rauchgase aus der HD- Turbine, daß diese nicht ohne weiteres als Kühlmittel für die ND-Turbine verwendet werden können. Deswegen wird die Turbine üblicherweise mit Kühlluft gekühlt, welche vor der Kaverne der Luftspeicheranlage entnommen wird, wie dies für die Kühlung von Turbinen üblich ist. Im durchgeschalteten Gasturbinenbetrieb könnte natürlich zur Vermeidung von Drosselverlusten die zur Turbine führende Kühlluft an druckmäßig passender Stelle des Verdichters entnommen werden. Während dem der Verbrauch von Kühlluft für die Turbine bei gegebener Mischtemperatur an deren Eintritt vor allem den Turbinen-Wirkungsgrad durch Misch verluste reduziert, wirkt sich der Verbrauch an Kühlluft für die ND-Turbine sehr nachteilig aus, indem diese an der HD-Turbine vorbeigeht, also dort keine Arbeit lei stet.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs ge nannten Art Maßnahmen vorzuschlagen, welche durch eine Kühlung einer oder mehrerer Strukturen der Gasturbogruppe eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit und eine Mi nimierung der Schadstoff-Emissionen mit sich bringen, demnach die oben dargelegten Nachteile zu beheben vermag.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Kühlung der Strukturen, also bespielsweise des niederdruckseitigen Wärmeerzeuger, der ND-Turbine usw. mit einer bestimmten Menge Abgase aus der HD-Turbine geschieht, indem dieser Teilgasstrom vorgängig seines Einsatzes vorzugsweise durch einen Wärmetauscher geleitet wird, der von einem Kühlluftstrom aus der Gasturbogruppe oder aus der Luftspeicheranlage durchströmt wird.

Ferner ist es ohne weiteres möglich, als Kühlungsmedium für den Wärmetauscher eine Dampfmenge aus dem Dampfkreis lauf zu aktivieren.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kühlung des Teilgasstromes direkt durch eine Eindüsung von Wasser und/oder Dampf zu bewerkstelligen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die zu kühlenden Strukturen der Gasturbogruppe vom Teilgasstrom parallel oder in Serie durchströmt werden können.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfin dungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung ein Ausführungs beispiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das un mittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Me dien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die einzige Figur zeigt:

eine Schaltung, bei welcher die Kühlung der ND-Turbine mit den Abgasen der HD-Turbine bewerkstelligt wird.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Die Figur zeigt eine Luftspeichergasturbine, bestehend aus einer Gasturbogruppe 32, einer Luftspeicheranlage 34 und einem Dampfkreislauf 33, in welchem die Abgase aus der Gasturbogruppe 32, im Sinne einer Kombianlage, kalorisch ausgenutzt werden. Eine Verdichtergruppe in der Gasturbogruppe 32, bestehend aus einem ersten Verdichter 1a, einem zweiten Verdichter 1b und einem dazwischen geschalteten Zwischenkühler 2, verdichtet die angesaugte Luft 3 und fördert sie über eine Leitung 4 in eine Ka verne 5 der Luftspeicheranlage 34. Diese Förderung der verdichteten Luft zu Kaverne 5 geschieht über eine wei tere Leitung 6, welche von der ersten Leitung 4 abzweigt. Die Leitung 4 ist zugleich Förderungsstrang zu einem er sten Wärmeerzeuger 7 der Gasturbogruppe 32, wobei eine Reihe von Stellgliedern die betriebsmäßige Schaltung der Leitungen 4, 6 untereinander übernehmen. Zunächst weist die Leitung 6 zur Kaverne 5 unmittelbar nach deren Abzweigung von der Leitung 4 ein Stellglied 8 auf, wobei stromauf und stromab desselben zwei weitere Stellglieder 9, 10 die Zuschaltbarkeit der jeweiligen Leitung gewährleisten. Eine Förderung der verdichteten Luft zur Kaverne 5 geschieht, indem das erste Stellglied 9 in der Leitung 4 und das Stellglied 8 in der Leitung 6 offen sind, während das zweite Stellglied 10 in der Leitung 4 geschlossen bleibt. Durch Schließen des Stellgliedes 8 in der Leitung 6 und gleichzeitiges Öffnen der beiden Stellglieder 9, 10 in der Leitung 4 wird die Anlage als reine Gasturbogruppe durchgeschaltet und betrieben. Stromab des Stellgliedes 8 in der Leitung 6 zur Kaverne 5 wirkt ein Wärmetauscher 11, der über ein Leitungssystem 12 mit einem thermischen Speicher 13 verbunden ist. Dieser Speicher 13 nimmt die Verdichtungsenthalpie der letzten Verdichterstufe 1b auf, wobei die Verdichter durch die als Motor arbeitende elektrische Maschine 14 angetrieben werden und so die zu speichernde Energie aus dem Stromnetz beziehen. Die im thermischen Speicher 13 enthaltende Verdichtungsenthalpie wird der kalten Spei cherluft im Entladebetrieb wieder zugeführt, so daß deren Arbeitsfähigkeit steigt. Es hat sich gezeigt, daß eine weitere Anhebung der Arbeitsmitteltemperatur mittels eines etwa mit einem gasförmigen Brennstoff betriebenen Wärmeerzeugers die Arbeitsfähigkeit nochmals signifikant erhöht, was von großem ökonomischem Vorteil ist, denn die zusätzlichen Investitionen sind gemessen am Arbeits gewinn klein. Erst so kann ein Luftspeicherkraftwerk überhaupt rentabel betrieben werden. Danebst muß aber berücksichtigt werden, daß um die Kosten für die Kaverne 5 so tief wie möglich zu halten, der Luftdruck so hoch wie möglich angesetzt werden muß: 50 bis 70 bar sind hier die Regel. Ein derart hoher Druck begünstigt aber die Entstehung von NOx im ersten Wärmeerzeuger 7, strom auf einer mit diesen Heißgasen zu beaufschlagenden HD- Turbine 15, was aus ökologischer Sicht unzulässig ist. Mit geeigneten Mitteln, beispielsweise durch Eindüsung von Ammoniak an geeigneter Stelle, läßt sich hier Ab hilfe schaffen.

Was hingegen noch vorzusehen ist, betrifft die Kühlung der kalorisch belasteten Aggregate der Gasturbogruppe 32. Die Figur zeigt eine Schaltung, bei welcher die Kühlung der ND-Turbine 19 mit den Abgasen aus der HD-Turbine 15 geschieht. Über eine Kühlgasleitung 17 wird der HD-Tur bine 15 an passender Entnahmestelle 16 ein Teilgasstrom entnommen und einem Wärmetauscher 20 zugeleitet. Der restliche überwiegende Abgasstrom aus der HD-Turbine 15 wird in einem weiteren nachgeschalteten Wärmeerzeuger 18 geleitet, in welchem eine neuerliche kalorische Aufbe reitung stattfindet, bevor dieses Arbeitgas die ND-Tur bine 19 beaufschlagt. Der genannte Wärmetauscher 20 wirkt in der Luftleitung 4, wobei hier der für Kühlzwecke noch viel zu heiße Abgasstrom 17 an der relativ kalten verdichteten Luft 4 durch Wärmetauschung abgekühlt wird. Der Wärmetauscher 20 kann selbstverständlich auch in einem Teilstrom der Luftleitung 4 liegen, welcher dann entsprechend stärker aufgewärmt wird. Diese relativ stark vorgewärmte Arbeitsluft kann dann, über eine nicht dargestellte Leitung, in den hochdruckseitigen Wärmeerzeuger 7 an passender Stelle eingeleitet werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die durch die Leitung 4 strömende Luft relativ tiefe Temperaturen aufweist: Sowohl im durchgeschalteten Gasturbobetrieb 32 als auch im Entladebetrieb der Luftspeicheranlage 34 kann der Wärmetauscher 20 mit einem relativ kalten Luftmassenstrom betrieben werden. Im durchgeschalteten Gasturbobetrieb 32 sorgt die Zwischenkühlung, durch Zwischenkühler 2, in der Verdichtergruppe dafür, daß das Temperaturniveau tief bleibt. Im Entladebetrieb der Luftspeicheranlage 34 herrscht eine Temperaturniveau von etwa 200°C vor, was wesentlich unter dem üblichen Kühllufttemperaturniveau von 360-400°C liegt. Um das Druckgefälle des Kühlstromes zu erhöhen, wird das zu Kühlzwecken der verschiedenen Strukturen der Gasturbogruppe aus der HD-Turbine 15 ent nommene Teilkühlgasmenge 17 vorzugsweise vor Expansions ende dieser Turbine 15 entnommen, wie dies Anzapfleitung 27 versinnbildlichen will. Die genannten Strukturen lassen sich dabei parallel oder in Serie schalten, je nach kalorischem Belastungsgrad und Kühlpotential der Teilkühlgasmenge 17. Bei Parallelschaltung unterteilt sich der Teilkühlgasstrom 23, beispielsweise nach dem Druckerhöhungsgebläse 26, in zwei Ströme auf, der eine durchströmt zu Kühlzwecken die ND-Turbine 19, der andere Strom 23a durchströmt den niederdruckseitigen Wärmeerzeuger 18. Bei dieser Konfiguration ist das Stell glied 10b, stromauf der ND-Turbine 19 offen, während das andere Stellglied 10a, stromab des Wärmeerzeugers 18, zu ist. Bei Serieschaltung ist das Stellglied 10b geschlossen. Der ganze Teilkühlgasstrom 23 strömt über die Leitung 23a zum Wärmeerzeuger 18 und anschließend über eine weitere Leitung 23b zur ND-Turbine 19. Es ist klar, daß bei letztgenannter Konfiguration das Stell glied 10a, stromab des Wärmeerzeugers 18, offen ist. Es ist des weiteren offensichtlich, daß sich die Kühlungs technik im Wärmeerzeuger 18 nach der Kühlungsart der Strukturen richtet, d. h., ob parallel oder in Serie gekühlt wird. Das Druckgefälle dieses Teilkühlgasstromes läßt sich auch durch ein Druckerhöhungsgebläse 26 erzie len, das irgendwo in der Zuleitung 23 des gekühlten Ab gasstromes, also der Turbinenkühlluft 21, zur ND-Turbine 19 plaziert ist, vorzugsweise an der kältesten Stelle dieser Zuleitung 23. Darüber hinaus ist es ohne weiteres möglich, den genannten Wärmetauscher 20 anstatt in der Luftleitung 4 zu plazieren, in einem Brennstoffstrom 31, vorteilhaft wenn es sich dabei um einen gasförmigen Brennstoff handelt, wirken zu lassen, wodurch dann glei chzeitig die Erwärmung ebengenannten Brennstoffes er folgt. Ferner ist es auch, in einer nicht dargestellten Variante, möglich, den Wärmetauscher 20 in einem Haupt- oder Nebenstrom des Dampfkreislaufes zu plazieren. Die Rückkühlung des Abgasstromes in der Zuleitung 23 kann auch, alternativ oder kumulativ zum Wärmetauscher 20, durch Eindüsung einer bestimmten Menge Wasser oder Dampf 24 bewerkstelligt werden, wobei dann, in bestimmtem Fällen, ohne weiteres möglich ist, auf den Wärmetauscher 20 ganz zu verzichten. Durch die letztgenannte Maßnahme ergibt sich eine Erhöhung des Kühlmediumstromes für die ND-Turbine 19, so daß die Entnahme am Expansionsende 16 allenfalls gedrosselt werden muß. Die Eindüsung von Wasser oder Dampf 24 wird mengenmäßig vorzugsweise klein gehalten, weil sie neben dem Wasserverlust auch eine Min derung des Wirkungsgrades zur Folge hat. Andererseits darf nicht unerwähnt bleiben, daß sich durch diese Maß nahme die erzeugte elektrische Leistung erhöht. Bei einer Eindüsung von Dampf 24 läßt sich mit Hilfe eines Strahlapparates oder einer Zumischstelle 25 eine maxi mierte, erwünschte Druckerhöhung für die Kühl gasverteilung in der ND-Turbine 19 realisieren. Der einzudüsende Dampf 24 kann beliebigen Ursprunges sein. Vorteilhaft ist seine Entnahme aus dem Abhitzekessel 29, oder aus der Dampfturbine 30 des Dampfkreislaufes 33, wobei ein solcher Dampfkreislauf beispielsweise in EP-B1- 01 50 340 beschrieben ist. Die Absenkung der Temperatur im Abgasstrom 17 auf das für die Kühlung der ND-Turbine 19 erforderliche Niveau läßt sich auch durch Beimischung von kälterer Luft, die über die Wasser- oder Dampf- Zuführung 24 erfolgen kann. Im durchgeschalteten Gastur bobetrieb wird diese Luft vorzugsweise an passender An zapfstelle 28 im Kompressor 1b entnommen. Selbst verständlich kann die Entnahme auch aus der Luftleitung 4 erfolgen, wobei dann die Funktion des Strahlapparates 25 zur Druckerhöhung der Kühlluft auch hier zur Anwendung gelangt. Ein in der Zuleitung 23 des Abgasstromes zur ND- Turbine 19 plaziertes Reinigungsgerät 22 sorgt dafür, daß je nach verwendetem Brennstoff, die zur Kühlung ver wendeten Turbinenabgase nachgereinigt werden können. Eine weitere, insbesondere bei Kombianlagen günstige Lösung der Turbinen- und Wärmeerzeugerkühlung, kann durch Dampf erfolgen. Der zur Speisung des hochdruckseitigen Wärmeerzeugers 7 und des niederdruckseitigen Wärmeerzeugers 18 notwendige Brennstoff 31 wird, um Energie verluste zu minimieren, möglichst im Gegenstrom zu den Rauchgasen im Abhitzekessel 29 des Dampfprozeßes 33 vorgewärmt, sofern er nicht, wie oben beschrieben, zur Rückkühlung der Turbinenkühlluft 21 verwendet wird.

Bezeichnungsliste

1a, 1b Verdichter
2 Zwischenkühler
3 Angesaugte Luft
4 Luftleitung aus dem Verdichter
5 Kaverne
6 Luftleitung von und zur Kaverne
7 Wärmeerzeuger
8, 9, 10 Stellglieder
10a, 10b Stellglieder
11 Wärmetauscher
12 Leitungssystem im Kavernenbereich
13 Thermischer Speicher
14 Elektrische Maschine
15 Hochdruckturbine
16 Kühlgasentnahmestelle
17 Kühlgasleitung
18 Wärmeerzeuger
19 Niederdruckturbine
20 Wärmetauscher
21 Gekühlter Abgasstrom
22 Reinigungsgerät
23 Kühlgasstrom
23a, 23b Kühlgasströme
24 Wasser- oder Dampf-Leitung
25 Strahlapparat oder Zumischstelle
26 Druckerhöhungsgebläse
27 Anzapfleitung
28 Anzapfstelle
29 Abhitzekessel
30 Dampfturbine
31, 31a Brennstoffleitungen
32 Gasturbogruppe
33 Dampfkreislauf
34 Luftspeicheranlage

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe mit oder ohne integriertem Dampfprozeß, im wesentlichen bestehend aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Gasturbine und mindestens einer elektrischen Maschine, wobei bei Aufteilung der Gasturbine in mehrere, unabhängige Druck stufen in Strömungsrichtung stromauf der ersten Gastur bine ein erster Wärmeerzeuger und stromab der ersten Gas turbine ein weiterer Wärmeerzeuger betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung einer oder mehrerer kalorisch belasteter Strukturen (18, 19) der Gasturbogruppe (32) ein Teilmassenstrom (17) aus der Hochdruckturbine (15) entnommen wird, daß dieser Teil massenstrom (17) durch ein kühleres Medium direkt und/oder indirekt gekühlt und anschließend durch die zu kühlenden Strukturen geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilmassenstrom (17) zur Kühlung durch einen Wärmetauscher (20) geleitet wird, der von einem Luftstrom (4, 6) durchströmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom aus einer Verdichtergruppe (1a, 1b, 2) der Gasturbogruppe (32) und/oder aus einer Luftspeicher anlage (34) stammt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilmassenstrom (17) zur Kühlung durch einen Wärmetauscher (20) geleitet wird, der von einem Haupt- oder Teilstrom des Dampfkreislaufes (33) durchströmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilmassenstromm (17) zur Kühlung durch einen Wärmetauscher (20) geleitet wird, der von einem Brennstoffstrom (31, 31a) durchströmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilmassenstrom (17) durch eine Eindüsung von Wasser und/oder Dampf (24) gekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden Strukturen (18, 19) parallel oder in Se rie geschaltet werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gekühlte Teilmassenstrom (17) durch einen niederdruckseitigen Wärmeerzeuger (18) und eine Niederdruckturbine (19) geleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilmassenstrom (17) vor Durchströmung der zu kühlen den Strukturen (18, 19) durch einen Reinigungsapparat (22) geleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilmassenstrom (17) vor Durchströmung der zu kühlen den Strukturen (18, 19) durch einen Strahlapparat (25) und/oder ein Gebläse (26) geleitet wird.