EP2999869A1 - Flexibilisiertes gasturbinenkraftwerk - Google Patents

Flexibilisiertes gasturbinenkraftwerk

Info

Publication number
EP2999869A1
EP2999869A1 EP14725395.9A EP14725395A EP2999869A1 EP 2999869 A1 EP2999869 A1 EP 2999869A1 EP 14725395 A EP14725395 A EP 14725395A EP 2999869 A1 EP2999869 A1 EP 2999869A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
gas turbine
line
fluid
heat storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14725395.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Brunhuber
Carsten Graeber
Uwe Lenk
Klaus Werner
Gerhard Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2999869A1 publication Critical patent/EP2999869A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • F02C7/10—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases by means of regenerative heat-exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/02—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being an unheated pressurised gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/30—Adding water, steam or other fluids for influencing combustion, e.g. to obtain cleaner exhaust gases
    • F02C3/305—Increasing the power, speed, torque or efficiency of a gas turbine or the thrust of a turbojet engine by injecting or adding water, steam or other fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/76—Application in combination with an electrical generator
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine power plant, which has a gas turbine, which is thermally connected to a recuperator for improved flexibility and a supply line for water. Furthermore, the present invention relates to a method for operating such a gas turbine power plant.
  • water or steam is introduced into the compressor or the combustion chamber of the gas turbine, which is possibly relaxed after transfer into the gas phase together with the combustion exhaust gases in the expander. Due to the increase in mass flow and the mechanical relaxation power is briefly increased, whereby for the time over which water or steam is injected into the gas turbine, an increased electrical power output follows.
  • a recuperator can be provided which further uses the thermal energy of the exhaust gas taken from the expander for the thermal treatment of other fluids.
  • the thermal energy which is still present in the exhaust gas of a gas turbine, can be used for steam preparation, which takes place in a steam process coupled to the gas turbine process for reconversion.
  • recuperator If the operation of such a recuperator is combined with the above-described injection of water into a gas turbine, a significant increase in efficiency can be achieved, as the gas injected into the gas turbine is heated in the gas turbine, and this heated water allows a high heat transfer rate in the recuperator , In this case, the heat transfer rate is greater than in the case of heat transfer from a "dry" exhaust gas at the same temperature, and the combination of injected water and recuperator can thus make a synergistic increase in efficiency. (RWI) - gas turbine process called.
  • This object of the invention is achieved by a gas turbine power plant according to claim 1 and a method for operating such a gas turbine power plant according to claim 10.
  • a gas turbine power plant comprising a ne a compressor, a combustion chamber and an expander having gas turbine, which is rotationally coupled to a Energetisticiansaku, wherein the Energetisticiansritt is designed for both a motorized operation of the compressor, as well as for generating current generating operation of the gas turbine, and further a recuperator, which is thermally connected with an exhaust pipe of the gas turbine such that during operation of the gas turbine heat from the exhaust stream in the exhaust pipe can be transferred to a fluid flow in a fluid line, which is supplied to the combustion chamber, further comprising a supply line for water, which fluidly such is connected to the gas turbine, that water of the gas turbine can be supplied to increase the operating mass flow during operation, and wherein the exhaust pipe is also thermally coupled with at least one heat storage, so that when operating the G asturbine the heat of the exhaust stream can be transferred to a heat storage medium for storage in the heat storage.
  • the object underlying the invention is achieved by a method for operating such a gas turbine power plant, which comprises the following steps: during a first operating phase:
  • the fluid flow is supplied to the combustion chamber, so that after introduction into the combustion chamber, the heat present in the fluid flow can be made available again for the gas turbine process.
  • the fluid flow may be, for example, an air flow, a humidified air flow or possibly also a mixture of air, water and fuel.
  • a pure fuel fluid stream eg, natural gas or methane may be included by the fluid flow.
  • heat from the exhaust gas flow is applied again to the fluid flow which is supplied to the combustion chamber.
  • the heat from the exhaust gas flow can also be transmitted by means of a first heat exchanger to a heat storage medium, which is temporarily stored in the first heat storage. Due to the intermediate storage, the thermal energy thus provided is also available at later points in time, and can then be converted back into electricity by a suitable process if required.
  • the heat accumulator can also provide heat for suitable applications for combined heat and power.
  • the heat accumulator can be interconnected with a district heating network or installations for industrial and domestic heat utilization.
  • the heat accumulator has a heat-technical and / or a fluid-technical connection for a combined heat and power plant (CHP), which in particular is a district heating network.
  • CHP combined heat and power plant
  • the feed line according to the invention for water leads water in possibly different physical states.
  • water can be conducted in liquid form or in vapor form or in a mixed form.
  • preference is given to the guidance of liquid water since this contributes to a cooling of the combustion gases after injection into the gas turbine.
  • the heat in the water is available for the gas turbine process with thermal relaxation in the expander.
  • water should be understood to mean both liquid and vapor water.
  • the supply line can open into the combustion chamber and / or into the compressor of the gas turbine.
  • the improved flexibility of the gas turbine power plant according to the present invention therefore results, on the one hand, from the plurality of different operating modes which the motor or generator operation of the energizing unit allows, as well as the time storage of thermal energy generated during a gas turbine process in a heat store.
  • the designated gas turbine process here refers to the plurality of different possible operating modes of the gas turbine.
  • the provision of the heat accumulator also allows the use of heat in further heat processes, in particular in conjunction with combined heat and power plants.
  • the fluid flow in the fluid line is substantially compressed air, wherein the fluid line is connected to the compressor fluidly.
  • the fluid line thus allows the discharge of compressed air from the compressor, and a subsequent supply after thermal treatment by means of the recuperator to the combustion chamber.
  • water in the form of vapor is added to the fluid flow. This can be performed in the fluid line, an air-water mixture, which can be burned together in the combustion chamber with a fuel together.
  • the water is used as a moderator in a combustion, but as a refrigerant in a relaxation.
  • the following embodiment is also particularly advantageous.
  • a water line which opens into the fluid line and can supply the fluid flow in the fluid line during operation of the gas turbine with water.
  • the water line can be water in liquid or gaseous form
  • the water line opens into the fluid line between the compressor and recuperator. This can also do that Water supplied via the water line of the fluid line can be thermally treated in the recuperator. After supplying the air-water mixture to the combustion chamber, according to the embodiment, no mixing of the individual constituents is necessary, since a mostly sufficient mixture has taken place in the fluid line.
  • the exhaust pipe is thermally connected to a capacitor, which is designed and connected in each case to the supply line and / or water line, that water condensed therein again according to the supply line and / or water pipe can be supplied.
  • the condenser thus enables the separation of water in the exhaust gas, which can be used again in the flexibilized gas turbine power plant process. This results in an at least partial water cycle for environmentally friendly and efficient water use.
  • the exhaust pipe is thermally coupled with at least two heat accumulators
  • the first heat storage is provided with a first heat storage medium and the second heat storage with a second heat storage medium
  • the temperature level of the first heat storage unequal to the temperature level of the second heat storage.
  • the first heat storage for example, designed as a hot storage
  • the operating temperature is typically above ambient temperature, ie approximately between 30 ° C and 200 ° C
  • the second heat storage as a cold storage
  • the temperature level typically below the ambient temperature of about 0 ° C to 30th ° C is.
  • the temperature limits may vary depending on the ambient temperature. A fluctuation range of about 10 ° C can be assumed here.
  • the gas turbine power plant it is thus possible to provide heat (through the exhaust gas flow of the gas turbine) or even cold (in the previously described embodiment of the cold expansion).
  • the heat which can be provided in each case at two different temperature levels, can be temporarily stored in two different heat accumulators, which are each provided with a heat storage medium.
  • the first heat accumulator is thermally connected to the exhaust pipe via a first heat exchanger
  • the second heat accumulator is thermally connected to the exhaust pipe via a second heat exchanger, wherein the first heat exchanger and the second heat exchanger are not identical are.
  • Both heat storage can therefore be addressed individually via separate heat exchanger or effect the heat exchange with the guided in the exhaust pipe medium. This will increase the flexibility of the gas turbine power plant. plant further increased, and ensures efficient heat storage.
  • first heat storage and the second heat storage are thermally connected via a first heat exchanger with the exhaust pipe.
  • Both heat accumulators can therefore only absorb thermal energy via a heat exchanger (first heat exchanger) or possibly also release it. This component reduction improves the construction and thus the cost.
  • a bypass line which is fluidically connected to the fluid line and which allows at least a portion of the fluid flow guided in the fluid line to pass around the recuperator without that it absorbs heat in the recuperator or gives off.
  • the bypass line allows, in particular during motor operation of the energizing unit, the bypassing of the recuperator, so that the
  • Combustion chamber supplied compressed fluid flow substantially retains its heat content. If the fluid line were in fact passed over the recuperator, it would be possible to reduce the heat content since the exhaust gas discharged from the exhaust gas line has a lower temperature level. According to another particularly preferred embodiment of the invention it is provided that the fluid line is also fluidly connected to a branch line, which allows at least a portion or even the entirety of the fluid flow guided in the fluid line to lead directly to the first heat exchanger or second heat exchanger for heat exchange ,
  • the branch line may in this case be arranged upstream or downstream with respect to the recuperator.
  • the fluid stream taken from the compressor which has been heated substantially adiabatically due to the compression, can be led directly to the first heat exchanger or the second heat exchanger for heat transfer to the first heat store or second heat store. Consequently, all the heat energy present in the fluid flow due to the adiabatic heating is available for heat exchange. Further thermal conditioning, especially towards a lower temperature level, can be avoided in this case.
  • the motor drive of the compressor allows the withdrawal of surplus electricity from the power supply networks to economically advantageous conditions, as well as the implementation of this electrical energy into thermal energy which can be cached in the first heat storage.
  • the thermal energy thus generated is available for further applications, in particular for applications in the field of combined heat and power, as far as the heat storage is connected with suitable devices for this purpose.
  • the provision of thermal energy by means of the compressed air flow can also be within relatively short Achieve time periods (less minutes), whereby the operation assumes an improved degree of flexibilization.
  • the following steps are likewise encompassed during a further operating phase, which is not carried out at times of the first, second or third operating phase: operating the energizing unit for the motor drive of the compressor;
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the gas turbine power plant 1 according to the invention according to a first possible operating phase of the method according to the invention
  • FIG. 2 shows the embodiment of the gas turbine power plant 1 according to the invention shown in FIG. 1 in accordance with a further operating phase of the method according to the invention
  • FIGS. 1 and 2 shows the embodiment of the gas turbine power plant 1 according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 in accordance with a further operating phase
  • 4 shows the embodiment of the gas turbine power plant 1 according to the invention shown in FIGS. 1 to 3 according to a further operating phase
  • 5 shows a further embodiment of the gas turbine power plant 1 according to the invention corresponding to a first operating phase of the method according to the invention
  • FIG. 6 shows a flowchart representation of an embodiment of the method according to the invention for operating a gas turbine power plant 1 according to the embodiments described above or below.
  • the gas turbine power plant 1 shows a first embodiment of the gas turbine power plant 1 according to the invention according to a first operating phase of an embodiment of the method according to the invention for the operation thereof.
  • the gas turbine power plant 1 in this case comprises a gas turbine 10, which is rotationally coupled to an energizing unit 5.
  • the gas turbine 10 comprises a compressor 11, in which air L can be sucked in operation.
  • the compressor 11 can be supplied with water via a feed line 17 in the vapor phase or in the liquid phase. After compression of the air L or the air-water mixture to a compressed
  • Fluid this is supplied via a fluid line 16 as the fluid flow 15 of the combustion chamber 12.
  • a recuperator 20 is provided, by means of which the heat of the exhaust gas flow in the exhaust pipe 14 can be removed and transferred to the fluid flow 15.
  • the thus compressed fluid flow 15 is mixed with the combustion chamber 12 supplied fuel B and burned in the combustion chamber 12.
  • the combustion products are fed to the expander 13, via which a thermal expansion takes place with simultaneous mechanical working line.
  • the recuperator 20 In addition to the heat transfer from the exhaust gas flow in the exhaust pipe 14 by means of the recuperator 20 further takes place a heat transfer Transmission by means of the first heat exchanger 32, which may optionally include a capacitor 40 (not expressly drawn in the present case).
  • the heat accumulator 30 can have a suitable thermal connection with a district heating network 50, or another form of heat utilization device.
  • a water supply by means of a water line 18 can be carried out, which supplies the water in the vapor phase of the fluid line 16.
  • the expander can also be inserted directly via a branch not provided with reference symbols from the fluid line 16
  • Partial flow of the fluid stream 15 are added. This supports the conversion of thermal energy into rotational energy.
  • FIG. 2 shows the embodiment of the gas turbine power plant 1 according to the invention already shown in FIG. 1, which is operated in a second operating phase of an embodiment of the method according to the invention for operating a gas turbine power plant.
  • the energizing unit 5 is operated by a motor so that air is sucked into the compressor 11 and supplied as a compressed fluid flow 15 in the fluid line 16 to the combustion chamber 12. Due to the adiabatic heating by compression in the compressor 11, the fluid flow has a temperature level above the ambient temperature (up to 250 ° C). In the combustion chamber 12, the compressed fluid stream 15 is burned with fuel B.
  • no supply of fuel B and a subsequent combustion in the combustion chamber 12 (shown here).
  • the combustion products discharged from the combustion chamber 12 are expanded in the expander 13 and fed via the exhaust gas line 14 to the first heat exchanger 32.
  • a corresponding heat exchange can take place here in the recuperator 20, depending on the present temperature levels of fluid flow 15 and exhaust gas flow.
  • the first heat exchanger 32 the heat is in turn transmitted to a first heat storage medium 35 in the first heat storage 30.
  • the heat utilization is again available to a suitable consumer, for example a district heating network 50.
  • FIG. 3 shows the embodiment of the gas turbine power plant 1 already described in FIGS. 1 and 2, which is operated in a further operating phase which is not identical to the first and second operating phases.
  • the energy-generating unit 5 again receives electrical energy and drives the compressor 11 during engine operation.
  • the sucked air L is compressed and guided as fluid flow 15 in the fluid line 16.
  • the fluid flow 15 is fed to the first heat exchanger 32 for heat transfer by means of the branch line 46, which is preferably connected to the fluid line 16 via an actuating means (valve) not further provided with reference symbols.
  • a supply of the fluid flow 15 to the combustion chamber 12 is not provided here.
  • no heat exchange via the recuperator 20 is provided.
  • the heat transferred to the first heat storage medium 35 by means of the first heat exchanger 32 can in turn be temporarily stored in the first heat storage 30, and made available to a suitable user, for example the district heating network 50.
  • FIG. 4 shows the gas turbine power plant 1 already described in FIGS. 1 to 3, which is operated in a further operating phase which is not identical to the above-described operating phases according to FIGS. 1 to 3. Accordingly, electric energy E is again generated by the energy Captured unit 5 and used for rotary mechanical drive of the compressor 11. At the same time, water can be added to both the compressor 11 and / or the fluid line 16 by means of the supply line 17 or water line 18. The air L or the air-water mixture is compressed by means of the compressor 11 and the fluid flow 15 in the
  • Fluid line 16 of the combustion chamber 12 is supplied.
  • Bypass line 45 which is fluidly connected to the fluid line 16, allows bypassing the recuperator 20. Insofar, there is no heat transfer from or to the fluid flow 15. It is essential for the illustrated operating phase of the execution method that the combustion chamber 12 fed fluid flow 15 moist is, that has a proportion of water vapor. This proportion is preferably more than 10% by mass and preferably not more than 30% by mass. In the combustion chamber 12 there is no further combustion, so that this fluid flow 15 is the expander 13 fed directly to the relaxation. Due to the relaxation and the high water content in the fluid flow, the exhaust gas flow cools to temperatures well below the ambient temperature. Temperatures of 0 to 30 ° C are typical here. Also, temperatures of less than 0 ° C can be achieved, but this should be avoided because by crystallization of the water in the fluid flow 15 solids are formed, which can damage the components of the expander 13.
  • the exhaust gas flow guided in the exhaust gas line 14 can only deliver part of its heat (negative thermal energy, cold) via the recuperator 20 to a further fluid flow.
  • the second heat storage 31 may in this case in turn be connected to a suitable installation for use of cold, such as a district cooling system 51.
  • a suitable installation for use of cold such as a district cooling system 51.
  • the first heat storage 30 and the second heat storage 31 are identical, but charged at different times to a different temperature level.
  • the gas turbine power plant 1 differs from the embodiment shown in FIG. 1 only in that the recuperator 20 is connected not only to a single heat accumulator but to two heat accumulators 30 and 31.
  • the first is preferred Heat storage 30 for storing heat by means of the first heat storage medium 35 provided at a first temperature level Tl
  • the second heat storage 31 for storing heat by means of the second heat storage medium 36 at a second temperature level T2. Both heat storage 30, 31 are individually connected via a heat exchanger 32, 33 with the exhaust pipe 14.
  • the exhaust pipe 14 as shown in the present case, has a branch. Depending on the operating phase, heat or cold can thus be supplied to one of the two heat accumulators 30, 31. Consequently, two heat storage at different temperature levels Tl, T2 may be available for use during operation of the gas turbine power plant.
  • FIG. 6 shows a flowchart representation of an embodiment of the method according to the invention for operating a gas turbine power plant 1 described above, which comprises the following steps during a first operating phase B1:
  • second method step 102 Compressing fluid by means of the compressor 11 and directing the compressed fluid flow 15 by means of the fluid line 16 to the combustion chamber 12 (third method step 103);

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Gasturbinenkraftwerk (1), umfassend eine einen Kompressor (11), eine Brennkammer (12) und einen Expander (13) aufweisende Gasturbine (10), die mit einer Energetisierungseinheit (5) drehmechanisch gekoppelt ist, wobei die Energetisierungseinheit (5) sowohl für einen motorischen Betrieb des Kompressors (11) als auch für einen Strom erzeugenden, generatorischen Betrieb der Gasturbine (10) ausgebildet ist, sowie weiterhin einen Rekuperator (20), welcher mit einer Abgasableitung (14) der Gasturbine (10) derart wärmetechnisch verschaltet ist, dass bei Betrieb der Gasturbine (10) Wärme aus dem Abgasstrom in der Abgasableitung (14) auf einen Fluidstrom (15) in einer Fluidleitung (16) übertragen werden kann, welcher der Brennkammer (12) zugeführt wird, wobei weiterhin eine Zuführleitung (17) für Wasser vorgesehen ist, welche fluidtechnisch derart mit der Gasturbine (10) verschaltet ist, dass Wasser der Gasturbine (10) zur Erhöhung des Betriebsmassenstroms bei Betrieb zugeleitet werden kann, und wobei die Abgasableitung (14) überdies wärmetechnisch mit wenigstens einem Wärmespeicher (30) gekoppelt ist, so dass bei Betrieb der Gasturbine (10) Wärme des Abgasstroms auf ein Wärmespeichermedium (35) zur Bevorratung in dem Wärmespeicher (30) übertragen werden kann.

Description

Beschreibung
Flexibilisiertes Gasturbinenkraftwerk Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinenkraftwerk, welches zur verbesserten Flexibilisierung eine Gasturbine aufweist, die mit einem Rekuperator wärmetechnisch verschaltet ist, sowie eine Zuführleitung für Wasser. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Gasturbinenkraftwerks.
Aufgrund des raschen Ausbaus zeitlich fluktuierender, regenerativer Energiequellen zur Bereitstellung elektrischer Energie in den Stromversorgungsnetzwerken, zeichnen sich bereits in einigen Ländern bzw. Regionen Europas Probleme ab, die Netzwerkstabilität zu gewährleisten. Aufgrund der zeitlich stark variierenden Mengen an Überschussstrom aus diesen regenerativen Energiequellen, sowie aufgrund einer verhältnismäßig geringen Anzahl von weiteren einspeisenden Energiequel- len, die zur Ausgleichung des fluktuierenden Überstroms dienen könnten, sind Netzwerkdienstleistungen zum Ausgleich dieser fluktuierender Energiemengen zunehmend erforderlich.
Zeitweise werden fossile Kraftwerke als Netzreserve für die regenerativen Energiequellen bereit gehalten, damit diese zu Zeiten, zu welchen eine verminderte Einspeisung aus den regenerativen Energiequellen vorherrscht, den Mangel ausgleichen können. Da fossile Kraftwerke jedoch zunehmend unter sinkender Auslastung und damit unter verminderter Wirtschaftlich- keit leiden, sind weitere Maßnahmen zur Erhaltung der Netzwerkstabilität etwa durch Nachrüstung und Flexibilisierung der regenerativen Energiequellen bzw. durch Netzausbau und Errichtung von Phasenschiebern (Synchrongeneratoren) erforderlich. Zudem werden vermehrt auch stärker flexibilisierte Gas-und-Dampfkraftwerke (GuD-Kraftwerke) mit vereinfachten
Dampfkreisläufen (FlexPlants) zur Netzwerkstabilisierung eingesetzt . Problematisch an diesen Ansätzen ist jedoch, dass insbesondere fossile Kraftwerke nur sehr eingeschränkt für einen kurzzeitigen Betrieb und damit zur kurzzeitigen Netzwerkstabilisierung ausgelegt sind. Insbesondere aufgrund der typischer- weise hohen Bereitstellungszeiten, welche im Bereich von Stunden liegen können, sind fossile Kraftwerke nur unter schlechten wirtschaftlichen Bedingungen für diese Aufgaben geeignet. Die Wirtschaftlichkeit des Betriebs dieser aus dem Stand der Technik bekannten Kraftwerke ist wegen oftmals nicht ausreichend hohen Wirkungsgraden bei der Stromproduktion nachteilig.
Aus diesem Grund werden derzeit zahlreiche weitere technische Maßnahmen diskutiert, die zu einer verbesserten Flexibilisie- rung und Wirkungsgradsteigerung von bereits bestehender Energieinfrastruktur beitragen können. Ein Verfahren, welches im Bereich der Energieerzeugung mittels Gasturbinen für die Bereitstellung von kurzzeitiger Regelleistung geeignet ist, ist die Injektion von Wasser bzw. Dampf (= Wasserdampf) in die Gasturbine, um den in dem Expander der Gasturbine zu entspannenden Massenstrom zu vergrößern. Hierzu wird flüssiges Wasser bzw. Dampf in den Kompressor bzw. die Brennkammer der Gasturbine eingeführt, welches möglicherweise nach Überführung in die Gasphase zusammen mit den Verbrennungsabgasen in dem Expander entspannt wird. Aufgrund der Erhöhung des Massenstroms wird auch die mechanische Entspannungsleistung kurzzeitig erhöht, wodurch für die Zeit, über welche Wasser bzw. Dampf in die Gasturbine injiziert wird, eine erhöhte elektrische Leistungsausgabe folgt.
Zur Wirkungsgradsteigerung von bestehenden Gasturbinenkraftwerken kann bspw. ein Rekuparator vorgesehen werden, der die thermische Energie, des aus dem Expander entnommenen Abgases weiter zur thermischen Aufbereitung anderer Fluide nutzt. Insbesondere kann die thermische Energie, welche in dem Abgas einer Gasturbine noch vorhanden ist, zur Dampfbereitung genutzt werden, die in einem mit dem Gasturbinenprozess gekoppelten Dampfprozess zur Rückverstromung erfolgt. Wird der Betrieb eines solchen Rekuperators mit der vorab beschriebenen Injektion von Wasser in eine Gasturbine kombiniert, kann eine signifikante Wirkungsgradsteigerung erreicht werden, da das in die Gasturbine injizierte Wasser in der Gasturbine erwärmt wird, und dieses so erwärmte Wasser eine hohe Wärmetransferrate in dem Rekuperator ermöglicht. Die Wärmetransferrate ist hierbei größer als bei einem Wärmeübertrag aus einem im Vergleich hierzu „trockenen" Abgas bei gleicher Temperatur. Die Kombination von injiziertem Wasser und Rekuperator kann so eine synergistische Wirkungsgradsteigerung ermöglichen. Ein solcher Betrieb einer Gasturbine wird typischerweise auch als „Regenerated Water Injected" (RWI) - Gasturbinenprozess bezeichnet.
Beide oben beschriebene Maßnahmen der Flexibilisierung und Wirkungsgradsteigerung sind etwa aus dem US-Patent 4,928,478 bekannt. Vergleichbare Maßnahmen können auch beispielsweise aus der veröffentlichten Doktorarbeit von Markus Thern ent- nommen werden, welche an der Universität Lund am 12. Dez.2005 unter dem Titel „Humidification process in gas turbine cycles" veröffentlicht wurde.
Obwohl die in dem Stand der Technik beschriebenen Flexibili- sierungs- und Wirkungsgradsteigerungsmaßnahmen bereits vorteilhafte Ansätze bieten, um ein Gasturbinenkraftwerk hinsichtlich seiner Fahrweise verbessert zur Netzwerkstabilisierung einsetzen zu können, ergeben sich dennoch weiterhin Defizite, die eine noch stärkere Flexibilisierung bzw. Wir- kungsgradsteigerung erfordern. So können die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen keine technischen Lösungsansätze vorschlagen, um etwa bereits bestehende Überschussmengen in den öffentlichen Stromversorgungsnetzwerken an elektrischer Energie zu nutzen bzw. auszugleichen. Gerade eine solche Nutzung erweist sich aber zunehmend als wirtschaftlich interessant, da diese Mengen an Überschussenergie unter wirtschaftlichen Vorteilen, d.h. sogar unter Nutzungsentgeld, zur Verfügung gestellt werden können. Weiterhin erlauben die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsmaßnahmen lediglich eine unmittelbare Reaktion auf die sich verändernden Angebote bzw. Nachfragen von elektrischer Energie in den Stromversorgungsnetzwerken. Wird also beispielsweise vermehrt Energie nachgefragt, kann durch gezielte Injizierung von Wasser bzw. Dampf in eine Gasturbine vermehrt elektrische Energie bereit gestellt werden, um die Nachfrage zu decken. Die zu einem Zeitpunkt bestehende Nachfrage wird also stets durch eine zeitlich damit in unmittelbarer Verbindung stehende Reaktion beantwortet. Energiemengen, die beispielsweise zu anderen Zeitpunkten wirtschaftlich günstiger anfallen, können gemäß diesen Lösungsvorschlägen jedoch nicht zur Netzwerkstabilisierung genutzt werden.
Weiterhin bleibt zu bedenken, dass zahlreiche Gasturbinenkraftwerke in Regionen der Erde betrieben werden, welche einer großen Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. In diesen Regionen wäre es überdies wünschenswert, eine Flexibilisierung eines Gasturbinenkraftwerks derart zu verwirklichen, dass auch geeignete Kälteleistung zur Verfügung gestellt werden könnte, wenn diese etwa nachgefragt wird. Diese Kälteleistung sollte ebenfalls mittels bereits bestehender Energieinfrastruktur bereitgestellt werden können.
Folglich stellt es sich als technische Aufgabe dar, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile von Gasturbinenkraftwerken zu vermeiden, insbesondere ein stärker flexibili- siertes Gasturbinenkraftwerk sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen vorzuschlagen.
Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Gasturbinenkraftwerk gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Gasturbinenkraftwerks nach Anspruch 10 gelöst.
Insbesondere werden diese der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben gelöst durch ein Gasturbinenkraftwerk, umfassend ei- ne einen Kompressor, eine Brennkammer und einen Expander aufweisende Gasturbine, die mit einer Energetisierungseinheit drehmechanisch gekoppelt ist, wobei die Energetisierungseinheit sowohl für einen motorischen Betrieb des Kompressors, als auch für einen Strom erzeugenden generatorischen Betrieb der Gasturbine ausgebildet ist, sowie weiterhin einen Rekuperator, welcher mit einer Abgasleitung der Gasturbine derart wärmetechnisch verschaltet ist, dass bei Betrieb der Gasturbine Wärme aus dem Abgasstrom in der Abgasleitung auf einen Fluidstrom in einer Fluidleitung übertragen werden kann, welcher der Brennkammer zugeführt wird, wobei weiterhin eine Zuführleitung für Wasser vorgesehen ist, welche fluidtechnisch derart mit der Gasturbine verschaltet ist, dass Wasser der Gasturbine zur Erhöhung des Betriebsmassenstroms bei Betrieb zugeleitet werden kann, und wobei die Abgasleitung überdies wärmetechnisch mit wenigstens einem Wärmespeicher gekoppelt ist, so dass bei Betrieb der Gasturbine die Wärme des Abgasstroms auf ein Wärmespeichermedium zur Bevorratung in den Wärmespeicher übertragen werden kann.
Weiterhin wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Gasturbinenkraftwerks gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst: während einer ersten Betriebsphase:
Betreiben der Energetisierungseinheit zur generatorischen Stromerzeugung ;
Zuleiten von Wasser mittels der Zuführleitung an die Gasturbine zur Erhöhung des Betriebsmassenstroms;
- Verdichten von Fluid mittels des Kompressors und Führen des verdichteten Fluidstroms mittels der Fluidleitung an die Brennkammer;
Verbrennen des verdichteten Fluids zusammen mit einem Brennstoff in der Brennkammer;
- Zuleitung der Verbrennungsprodukte von der Brennkammer an den Expander; r
Entspannen der Verbrennungsprodukte in dem Expander und Ableiten des Abgasstroms aus dem Expander mittels der Abgasableitung;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf das Fluid des Fluidstroms mittels des Rekuperators;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf ein erstes Wärmespeichermedium mittels eines ersten Wärmetauschers und Speichern des Wärmespeichermediums in dem ersten Wärmespeicher;
und während einer zweiten Betriebsphase, die nicht zu Zeiten der ersten Betriebsphase ausgeführt wird:
Betreiben der Energetisierungseinheit zum motorischen Antrieb des Kompressors;
Verdichten von Luft mittels des Kompressors und führen des verdichteten Luftstroms mittels der Fluidleitung an die Brennkammer;
Verbrennen der verdichteten Luft zusammen mit einem
Brennstoff in der Brennkammer;
Zuleitung der Verbrennungsprodukte von der Brennkammer an den Expander;
Entspannen der Verbrennungsprodukte in dem Expander und Ableiten des Abgasstroms mittels der Abgasableitung;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf den Fluid- strom mittels des Rekuperators;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf ein erstes Wärmespeichermedium mittels des ersten Wärmetauschers und Speichern des Wärmemediums in dem ersten Wärmespeicher. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Betrieb eines Gasturbinenkraftwerks bzw. einer Gasturbine hier allgemein zu verstehen ist. Der Betrieb umfasst also sowohl den motorischen Betrieb als auch den generatorischen Betrieb. Der motorische Betrieb geht hierbei über einen gewöhnlichen
Startbetrieb hinaus und erlaubt den anhaltenden Betrieb des Kompressors (zusammen mit der damit mechanisch gekoppelten Welle, auf welcher auch der Expander angeordnet sein kann) auch auf Nenndrehzahlen, die anderweitig nur bei einem her- kömmlich befeuerten Betrieb der Gasturbine erreicht werden könnten. Typischerweise ist die Energetisierungseinheit also als Motor/Generator ausgeführt. Weiterhin ist der Begriff der Wärme vorliegend allgemein zu verstehen. So kann etwa Wärme im Sinne von positiver thermischer Energie, aber auch im Sinne von negativer thermischer Energie, also Kälte, verstanden werden. Erfindungsgemäß ermöglicht das Gasturbinenkraftwerk die Nutzung von Wärme aus dem Abgasstrom mittels des Rekuperators. Der Rekuperator erlaubt, wenigstens einen Teil dieser Wärme auf einen Fluidstrom in einer Fluidleitung zu übertragen. Der Fluidstrom wird der Brennkammer zugeführt, so dass nach Ein- führung in die Brennkammer, die in dem Fluidstrom befindliche Wärme erneut für den Gasturbinenprozess zur Verfügung gestellt werden kann. Der Fluidstrom kann hierbei beispielsweise ein Luftstrom, ein befeuchteter Luftstrom oder möglicherweise auch ein Gemisch von Luft, Wasser und Brennstoff sein. Ebenfalls ein reiner Brennstoff-Fluidstrom (z.B. Erdgas oder Methan) kann durch den Fluidstrom mit umfasst sein.
Die Flexibilisierung des Gasturbinenkraftwerks bzw. die Wirkungsgradsteigerung ist zunächst durch das Vorsehen einer Energetisierungseinheit zu verstehen, welche sowohl für einen motorischen Betrieb, etwa zum Antrieb des Kompressors, als auch für einen generatorischen Betrieb, etwa zur Erzeugung von elektrischem Strom, geeignet ist. Damit kann auch den Stromversorgungsnetzwerken zu Zeiten des Angebots von Über- schussenergie elektrischer Strom entnommen werden, um diesen einem mechanisch-thermischen Prozess zuzuführen. Durch den motorischen Betrieb des Kompressors wird Luft nach deren Einsaugung in die Gasturbine verdichtet und an die Brennkammer geleitet. Die verdichtete Luft kann unter Verbrennung von Brennstoff bzw. auch unter Abwesenheit eines Verbrennungsvorgangs einem Expander zugeleitet werden, über welchen eine thermische Entspannung erfolgt. Die dem Abgasstrom weiterhin inne wohnende thermische Energie kann nun wiederum mittels des Rekuperators in thermische Nutzenergie umgesetzt werden. Hierbei wird etwa Wärme aus dem Abgasstrom auf den Fluid- strom, welcher der Brennkammer zugeführt wird, erneut aufgebracht. Ebenso kann die Wärme aus dem Abgasstrom auch mittels eines ersten Wärmetauschers auf ein Wärmespeichermedium übertragen werden, welches in dem ersten Wärmespeicher zeitlich zwischengespeichert wird. Durch die Zwischenspeicherung steht die so bereitgestellte thermische Energie auch zu späteren Zeitpunkten zur Verfügung, und kann dann bei Bedarf durch ei- nen geeigneten Prozess rückverstromt werden. Der Wärmespeicher vermag zudem auch Wärme für geeignete Anwendungen zur Kraft-Wärme-Kopplung zur Verfügung zu stellen. So kann etwa der Wärmespeicher mit einem Fernwärmenetzwerk bzw. Anlagen zur industriellen wie häuslichen Wärmenutzung verschaltet sein. So weist der Wärmespeicher beispielsweise einen wärmetechnischen und/oder einen fluidtechnischen Anschluss für eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) auf, die insbesondere ein Fernwärmenetzwerk ist. Die erfindungsgemäße Zuführleitung für Wasser führt Wasser in möglicherweise verschiedenen Aggregatzuständen. So kann Wasser etwa in flüssiger Form, bzw. auch in dampfförmiger Form oder in einer Mischform geführt werden. Bevorzugt ist jedoch die Führung von flüssigem Wasser, da dieses nach Injektion in die Gasturbine zu einer Kühlung der Verbrennungsgase beiträgt. Nach Injektion bzw. Zuleitung an die Brennkammer und/oder den Kompressor der Gasturbine steht die in dem Wasser befindliche Wärme für den Gasturbinenprozess bei thermischer Entspannung in dem Expander zur Verfügung. Nachfolgend soll, soweit nicht ausdrücklich darauf hingewiesen, Wasser sowohl als flüssiges wie auch als dampfförmiges Wasser verstanden werden.
Die Zuführleitung kann je nach Ausführungsform der Erfindung sowohl in die Brennkammer münden und/oder in den Kompressor der Gasturbine. Die verbesserte Flexibilisierung des Gasturbinenkraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung resultiert also zum einen aus der Mehrzahl an verschiedenen Betriebsarten, welche der motorische bzw. der generatorische Betrieb der Energetisie- rungseinheit ermöglicht, sowie der zeitlichen Bevorratung von während eines Gasturbinenprozesses erzeugter thermischer Energie in einem Wärmespeicher. Der bezeichnete Gasturbinen- prozess bezieht sich hierbei auf die Mehrzahl an verschiedenen möglichen Fahrweisen der Gasturbine. Durch die Bereit- Stellung des Wärmespeichers ermöglicht sich auch die Wärmenutzung in weiteren Wärmeprozessen, insbesondere in Verbindung mit Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen .
Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fluidstrom in der Fluidleitung im Wesentlichen komprimierte Luft ist, wobei die Fluidleitung an den Kompressor fluidtechnisch angeschlossen ist. Die Fluidleitung ermöglicht also, die Abführung von komprimierter Luft aus dem Kompressor, und eine anschließende Zuführung nach thermischer Aufbereitung mittels des Rekuperators an die Brennkammer. In einer weitergehenden Ausführungs- form kann auch noch vorgesehen sein, dass Wasser in Form von Dampf dem Fluidstrom zugegeben wird. Damit kann in der Fluidleitung ein Luft-Wasser-Gemisch geführt werden, welches in der Brennkammer etwa mit einem Brennstoff zusammen verbrannt werden kann. Das Wasser dient bei einer Verbrennung als Moderator, bei einer Entspannung aber als Kältemittel. Insofern stellt sich auch die nachfolgende Ausführungsform als besonders vorteilhaft dar.
Entsprechend dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass weiterhin eine Wasserleitung umfasst ist, welche in die Fluidleitung mündet und den Fluidstrom in der Fluidleitung bei Betrieb der Gasturbine mit Wasser versorgen kann. Die Wasser- leitung kann hierbei Wasser in flüssiger, wie gasförmiger
(dampfförmiger) Phase, oder einer Mischform führen. Ganz besonders bevorzugt mündet die Wasserleitung in die Fluidleitung zwischen Kompressor und Rekuperator. Damit kann auch das über die Wasserleitung der Fluidleitung zugeführte Wasser in dem Rekuperator thermisch aufbereitet werden. Nach Zuführung des Luft-Wasser-Gemisches an die Brennkammer ist ausführungsgemäß keine Mischung der einzelnen Bestandteile mehr notwen- dig, da eine meist ausreichende Mischung in der Fluidleitung erfolgt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasleitung mit einem Konden- sator wärmetechnisch verschaltet ist, welcher derart ausgebildet ist und jeweils mit der Zuführleitung und/oder Wasserleitung verschaltet ist, dass darin kondensiertes Wasser entsprechend erneut der Zuführleitung und/oder Wasserleitung zugeführt werden kann. Der Kondensator ermöglicht somit die Ab- Scheidung von in dem Abgas befindlichen Wasser, welches erneut in dem flexibilisierten Gasturbinenkraftwerksprozess genutzt werden kann. Hieraus ergibt sich ein wenigstens teilweiser Wasserkreislauf zur umweltschonenden und effizienten Wassernutzung .
Weiterhin kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass die Abgasleitung wärmetechnisch wenigstens mit zwei Wärmespeichern gekoppelt ist, wobei der erste Wärmespeicher mit einem ersten Wärmespeichermedium und der zweite Wärmespeicher mit einem zweiten Wärmespeichermedium versehen ist, und bei regulärem Betrieb das Temperaturniveau des ersten Wärmespeichers ungleich ist zu dem Temperaturniveau des zweiten Wärmespeichers. Bevorzugt ist der erste Wärmespeicher beispielsweise als Heißspeicher ausgebildet, dessen Betriebstemperatur typischerweise über der Umgebungstemperatur liegt, also etwa zwischen 30 °C und 200 °C, und der zweite Wärmespeicher als Kaltspeicher, dessen Temperaturniveau typischerweise unter der Umgebungstemperatur also etwa von 0 °C bis 30 °C liegt. Die Temperaturgrenzen können hier- bei je nach Umgebungstemperatur schwanken. Eine Schwankungs- breite von etwa 10 °C kann hierbei angenommen werden. Der flexibilisierte Einsatz der Gasturbine bei motorischem Betrieb der Energetisierungseinheit erlaubt neben der Bereitstellung von Wärme aus dem Abgasstrom der Gasturbine auch die Bereitstellung eines Kältestroms, nämlich dann, wenn die Energetisierungseinheit motorisch betrieben wird und der komprimierten Luft in dem Kompressor bzw. der Brennkammer Wasser vor der Entspannung in dem Expander zugegeben wird. Eine Verbrennung von Brennstoff findet hierbei in der Brennkammer typischerweise nicht statt. Aufgrund der Entspannung in dem Ex- pander erfolgt eine Abkühlung des Wasser-Luft-Gemisches, welche typischerweise Temperaturen von bis zu 0 °C erreichen lässt. Darunter liegende Temperaturen sind in der Tat ebenfalls erreichbar, jedoch bei regelmäßigem Betrieb nicht angestrebt, da die Ausbildung von Feststoffen (kristallisiertes Wasser) die Beschädigung des Expanders zur Folge haben könnte .
Je nach Betriebsweise des Gasturbinenkraftwerks kann somit Wärme (durch den Abgasstrom der Gasturbine) oder auch Kälte (bei der vorab beschriebenen Ausführung der Kälteexpansion) bereitgestellt werden. Die Wärme, die hierbei auf jeweils zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus bereitgestellt werden kann, kann ausführungsgemäß in zwei unterschiedlichen Wärmespeichern, die mit jeweils einem Wärmespeichermedium versehen sind, zwischengespeichert werden. Alternativ zu dieser Ausführungsform ist es auch möglich, nur einen Wärmespeicher für beide vorzusehen.
Gemäß einer Weiterführung dieser Erfindungsidee ist vorgese- hen, dass der erste Wärmespeicher über einen ersten Wärmetauscher mit der Abgasleitung wärmetechnisch verschaltet ist, und der zweite Wärmespeicher über einen zweiten Wärmetauscher mit der Abgasleitung wärmetechnisch verschaltet ist, wobei der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher nicht identisch sind. Beide Wärmespeicher können also individuell über separate Wärmetauscher angesprochen werden bzw. den Wärmeaustausch mit dem in der Abgasleitung geführten Medium bewirken. Damit wird die Flexibilisierung des Gasturbinenkraft- werks weiter erhöht, und eine effiziente Wärmespeicherung gewährleistet. Alternativ ist wiederum möglich, nur einen Wärmespeicher und damit jeweils nur einen Wärmetauscher in dem Gasturbinenkraftwerks vorzusehen .
Alternativ zu dieser Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass der erste Wärmespeicher als auch der zweite Wärmespeicher über einen ersten Wärmetauscher mit der Abgasleitung wärmetechnisch verschaltet sind. Beide Wärmespeicher können also nur über einen Wärmetauscher (erster Wärmetauscher) thermische Energie aufnehmen bzw. möglicherweise auch abgeben. Durch diese Bauteilreduzierung verbessert sich der Bau- und damit der Kostenaufwand. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass weiterhin eine Bypass- Leitung vorgesehen ist, welche mit der Fluidleitung fluid- technisch verschaltet ist und die erlaubt, wenigstens einen Teil des in der Fluidleitung geführten Fluidstroms um den Re- kuperator herumzuführen, ohne dass dieser in dem Rekuperator Wärme aufnimmt oder abgibt. Die Bypass-Leitung ermöglicht insbesondere bei motorischem Betrieb der Energetisierungs- einheit, die Umgehung des Rekuperators, so dass der der
Brennkammer zugeführte komprimierte Fluidstrom seinen Wärme- inhalt im Wesentlichen behält. Würde die Fluidleitung nämlich über den Rekuperator geführt, könnte es zu einer Verminderung des Wärmeinhalts kommen, da das aus der Abgasleitung ausgeführte Abgas ein geringeres Temperaturniveau aufweist. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidleitung zudem mit einer Abzweigleitung fluidtechnisch verschaltet ist, die erlaubt, wenigstens einen Teil oder sogar die Gesamtheit des in der Fluidleitung geführten Fluidstrom direkt an den ersten Wärmetauscher oder zweiten Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zu führen. Die Abzweigleitung kann hierbei stromaufwärts bzw. stromabwärts im Bezug auf den Rekuperator angeordnet sein. Insbesondere dann, wenn die Abzweigleitung stromaufwärts vor- gesehen ist, kann der aus dem Kompressor entnommene Fluid- strom, welcher aufgrund der Kompression im Wesentlichen adiabatisch erwärmt wurde, zur Wärmeübertragung an den ersten Wärmespeicher bzw. zweiten Wärmespeicher direkt an den ersten Wärmetauscher bzw. den zweiten Wärmetauscher geführt werden. Folglich steht zum Wärmeaustausch die gesamte im Fluidstrom befindliche Wärmeenergie aufgrund der adiabatischen Erwärmung zur Verfügung. Eine weitere thermische Konditionierung, insbesondere zu einem geringeren Temperaturniveau hin, kann hierbei vermieden werden.
Entsprechend einer ersten besonders bevorzugten Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass weiterhin die folgenden Schritte während einer weiteren Betriebs- phase, die nicht zu Zeiten der ersten oder zweiten Betriebsphase ausgeführt wird, umfasst sind:
Betreiben der Energetisierungseinheit zum motorischen Antrieb des Kompressors;
- Verdichten von Luft mittels des Kompressors und Führen des verdichteten Luftstroms mittels der Fluidleitung und der Abzweigleitung an den ersten Wärmetauscher;
Übertragen von Wärme aus dem verdichteten Luftstrom auf ein erstes Wärmemedium mittels des ersten Wärmetauschers und Speichern des Wärmemediums in dem ersten Wärmespeicher .
Der motorische Antrieb des Kompressors ermöglicht die Entnahme von Überschussstrom aus den Stromversorgungsnetzwerken zu wirtschaftlich vorteilhaften Bedingungen, sowie die Umsetzung dieser elektrischen Energie in thermische Energie die in dem ersten Wärmespeicher zwischengespeichert werden kann. Damit steht die so erzeugte thermische Energie für weitere Anwendungen zur Verfügung, insbesondere für Anwendungen im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung, soweit der Wärmespeicher mit geeigneten Vorrichtungen hierzu verschaltet ist. Die Bereitstellung von thermischer Energie mittels des komprimierten Luftstroms, lässt sich zudem auch innerhalb von relativ kurzen Zeitspannen (weniger Minuten) erreichen, wodurch der Betrieb einen verbesserten Flexibilisierungsgrad annimmt.
Gemäß einer alternativen oder auch ergänzenden Ausführungs- form des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ebenso die nachfolgenden Schritte während einer weiteren Betriebsphase um- fasst, die nicht zu Zeiten der ersten, zweiten oder dritten Betriebsphase ausgeführt wird: - Betreiben der Energetisierungseinheit zum motorischen Antrieb des Kompressors;
Zuleiten von Wasser mittels der Zuführleitung an die Gasturbine zur Erhöhung des Betriebsmassenstroms;
Verdichten von Fluid mittels des Kompressors und Führen des verdichteten Fluidstroms mittels der Fluidleitung und der Bypass-Leitung unter Umgehung des Rekuperators an die Brennkammer ;
kein oder nur vermindertes Verbrennen eines Brennstoffes in der Brennkammer;
- Zuleitung des verdichteten Fluidstroms von der Brennkammer an den Expander;
Entspannen des Fluidstroms als Abgasstrom in dem Expander und Ableiten desselben mittels der Abgasableitung;
Übertragen von Wärme aus dem abgeleiteten Abgasstrom auf ein erstes oder zweites Wärmespeichermedium mittels eines ersten Wärmetauschers oder eines zweiten Wärmetauschers und Speichern des Wärmespeichermediums in dem ersten Wärmespeicher oder dem zweiten Wärmespeicher. Aufgrund der Entspannung des wasserhaltigen Abgasstroms in dem Expander kann ein Abgasstrom auf einem Temperaturniveau bereitgestellt werden, welches deutlich unter dem Temperaturniveau liegt, das bei dem herkömmlichen Betrieb der Gasturbine im Abgasstrom vorliegt. Insbesondere kann Wärme auf einem Temperaturniveau von weniger als der Umgebungstemperatur bereitgestellt werden, welche etwa als Kälte (negative thermische Energie) in dem ersten bzw. zweiten Wärmespeicher zeitlich zwischengespeichert werden kann. Insbesondere bei Anwen- dung dieses Verfahrens in verhältnismäßig warmen Ländern, beispielsweise nahe dem Äquator, kann so Kälte bereitgestellt werden, die wiederum bspw. in geeignete Kühleinrichtungen eingespeist werden kann. So ist es etwa möglich, die in einem Wärmespeicher zwischengespeicherte Kälte mittels eines geeigneten Fernkältenetzwerkes zu häuslichen bzw. industriellen Kühlzwecken zu nutzen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von einzelnen Figuren im Detail näher erläutert werden. Hierbei ist darauf zu verweisen, dass die technischen Merkmale mit gleichen Bezugszeichen, gleiche technische Wirkungen aufweisen sollen.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass die nach- folgend beschriebenen technischen Merkmale für sich alleine, wie auch in beliebiger Kombination miteinander beansprucht werden sollen, soweit die Kombination die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen vermag. Ebenso ist darauf hinzuweisen, dass die nachfolgenden Figuren lediglich schematisch und als Funktionsschaltung zu verstehen sind und damit keine Einschränkungen hinsichtlich der Ausführbarkeit der Erfindung erlauben. Hierbei zeigen:
FIG 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasturbinenkraftwerks 1 entsprechend einer ersten möglichen Betriebsphase des erfindungsgemäßen Verfahrens;
FIG 2 die in FIG 1 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasturbinenkraftwerks 1 gemäß einer weiteren Betriebsphase des erfindungsgemäßen Verfahrens;
FIG 3 die in FIG 1 und 2 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasturbinenkraftwerks 1 entsprechend einer weiteren Betriebsphase; FIG 4 die in FIG 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasturbinenkraftwerks 1 entsprechend einer weiteren Betriebsphase; FIG 5 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasturbinenkraftwerks 1 entsprechend einer ersten Betriebsphase des erfindungsgemäßen Verfahrens;
FIG 6 eine flussdiagrammatische Darstellung einer Ausfüh- rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerks 1 entsprechend den oben bzw. unten beschriebenen Ausführungsformen .
FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasturbinenkraftwerks 1 gemäß einer ersten Betriebsphase einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb desselben. Das Gasturbinenkraftwerk 1 umfasst hierbei eine Gasturbine 10, welche mit einer Energetisierungseinheit 5 drehmechanisch gekoppelt ist. Weiter umfasst die Gasturbine 10 einen Kompressor 11, in welchen Luft L bei Betrieb eingesaugt werden kann. Gleichzeitig kann dem Kompressor 11 Wasser über eine Zuführleitung 17 in dampfförmiger Phase bzw. in flüssiger Phase zugeleitet werden. Nach Kompression der Luft L bzw. des Luft-Wasser-Gemisches zu einem komprimierten
Fluid, wird dieses über eine Fluidleitung 16 als Fluidstrom 15 der Brennkammer 12 zugeführt. Zum Wärmeaustausch vor der Brennkammer 12 ist ein Rekuperator 20 vorgesehen, mittels welchem die Wärme des Abgasstroms in der Abgasleitung 14 entnommen und auf den Fluidstrom 15 übertragen werden kann. In der Brennkammer 12, bzw. bereits davor, wird der so komprimierte Fluidstrom 15 mit dem der Brennkammer 12 zugeführten Brennstoff B vermischt und in der Brennkammer 12 verbrannt. Die Verbrennungsprodukte werden dem Expander 13 zugeleitet, über welchen eine thermische Entspannung unter gleichzeitiger mechanischer Arbeitsleitung erfolgt.
Neben der Wärmeübertragung aus dem Abgasstrom in Abgasleitung 14 mittels des Rekuperators 20 erfolgt weiter eine Wärmeüber- tragung mittels des ersten Wärmetauschers 32, welcher optional auch einen Kondensator 40 mit umfassen kann (vorliegend nicht ausdrücklich gezeichnet) . Die Wärme, die in dem ersten Wärmetauscher 32 übertragen wird, wird auf ein erstes Wärme- speichermedium 35 übertragen, welches in dem ersten Wärmespeicher 30 bevorratet werden kann. Zur Nutzung dieser so bevorrateten Wärme kann der Wärmespeicher 30 eine geeignete wärmetechnische Verschaltung mit einem Fernwärmenetzwerk 50 aufweisen, bzw. einer anderen Form der Wärmenutzungseinrich- tung.
Alternativ zur Zugabe des Wassers mittels der Zuführleitung 17 an den Kompressor kann auch eine Wasserzuleitung mittels Wasserleitung 18 erfolgen, die das Wasser in dampfförmiger Phase der Fluidleitung 16 zuführt.
Zur thermischen Konditionierung der über den Expander 13 entspannten Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer 12 kann ebenso über eine nicht weiter mit Bezugszeichen versehene Ab- zweigung aus der Fluidleitung 16 dem Expander direkt ein
Teilstrom des Fluidstroms 15 zugegeben werden. Dies unterstützt die Umwandlung von thermischer Energie in Drehenergie.
FIG 2 zeigt die in FIG 1 bereits dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasturbinenkraftwerks 1, welches in einer zweiten Betriebsphase einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerks betrieben wird. Anders als in der ersten Betriebsphase wird nun dem Kompressor 11 bzw. der Fluidleitung 16 kein Was- ser zugeführt. Gleichzeitig wird die Energetisierungseinheit 5 motorisch betrieben, so dass Luft in den Kompressor 11 eingesaugt und als komprimierter Fluidstrom 15 in der Fluidleitung 16 der Brennkammer 12 zugeführt wird. Aufgrund der adiabatischen Erwärmung durch Komprimierung in dem Kompressor 11 weist der Fluidstrom ein über der Umgebungstemperatur liegendes Temperaturniveau auf (bis zu 250 °C) . In der Brennkammer 12 wird der verdichtete Fluidstrom 15 mit Brennstoff B verbrannt. Alternativ kann auch keine Zuführung von Brennstoff B und einer darauf folgenden Verbrennung in der Brennkammer 12 erfolgen (vorliegend gezeigt) . Die aus der Brennkammer 12 abgeführten Verbrennungsprodukte werden in dem Expander 13 entspannt und über die Abgasleitung 14 dem ersten Wärmetauscher 32 zugeleitet. Zum Wärmeaustausch kann hier je nach vorliegenden Temperaturniveaus von Fluidstrom 15 und Abgasstrom ein entsprechender Wärmeaustausch in dem Rekuperator 20 erfolgen. Mittels des ersten Wärmetauschers 32 wird wiederum die Wärme auf ein erstes Wärmespeichermedium 35 in dem ersten Wärme- Speicher 30 übertragen. Die Wärmenutzung steht erneut einem geeigneten Verbraucher, beispielsweise einem Fernwärmenetzwerk 50, zur Verfügung.
FIG 3 zeigt die in FIG 1 und 2 bereits beschriebene Ausfüh- rungsform des Gasturbinenkraftwerks 1, welches in einer weiteren nicht mit den ersten und zweiten Betriebsphasen identischen Betriebsphase betrieben wird. Hierbei nimmt die Energe- tisierungseinheit 5 wiederum elektrische Energie auf und treibt im motorischen Betrieb den Kompressor 11 an. Die ein- gesaugte Luft L wird komprimiert und als Fluidstrom 15 in der Fluidleitung 16 geführt. Mittels der Abzweigleitung 46, die vorzugsweise über ein nicht weiter mit Bezugszeichen versehenes Stellmittel (Ventil) mit der Fluidleitung 16 verbunden ist, wird der Fluidstrom 15 dem ersten Wärmtauscher 32 zur Wärmeübertragung zugeführt. Eine Zuführung des Fluidstroms 15 an die Brennkammer 12 ist hierbei nicht vorgesehen. Ebenfalls ist kein Wärmeaustausch über den Rekuperator 20 vorgesehen. Die mittels des ersten Wärmetauschers 32 auf das erste Wärmespeichermedium 35 übertragene Wärme kann wiederum in dem ers- ten Wärmespeicher 30 zeitlich zwischengespeichert werden, und einem geeigneten Nutzer, beispielsweise dem Fernwärmenetzwerk 50, zur Verfügung gestellt werden.
FIG 4 zeigt das in den Figuren 1 bis 3 bereits beschriebene Gasturbinenkraftwerk 1, welches in einer weiteren Betriebsphase betrieben wird, die nicht mit den vorab beschriebenen Betriebsphasen gemäß FIG 1 bis 3, identisch ist. Dementsprechend wird wiederum elektrische Energie E durch die Energe- tisierungseinheit 5 aufgenommen und zum drehmechanischen Antrieb des Kompressors 11 genutzt. Gleichzeitig kann sowohl dem Kompressor 11 und/oder der Fluidleitung 16 mittels der Zuführleitung 17 bzw. Wasserleitung 18 Wasser zugegeben wer- den. Die Luft L bzw. das Luft-Wasser-Gemisch wird mittels des Kompressors 11 komprimiert und als Fluidstrom 15 in der
Fluidleitung 16 der Brennkammer 12 zugeführt. Eine
Bypassleitung 45, welche fluidtechnisch mit der Fluidleitung 16 verschaltet ist, erlaubt die Umgehung des Rekuperators 20. Insofern erfolgt kein Wärmeübertrag von bzw. auf den Fluidstrom 15. Wesentlich für die dargestellte Betriebsphase des ausführungsgemäßen Verfahrens ist, dass der der Brennkammer 12 zugeleitete Fluidstrom 15 feucht ist, also einen Anteil an Wasserdampf aufweist. Dieser Anteil beträgt bevorzugt mehr als 10 Massenprozent und bevorzugt nicht mehr als 30 Massenprozent. In der Brennkammer 12 erfolgt keine weitere Verbrennung, so dass dieser Fluidstrom 15 dem Expander 13 unmittelbar zur Entspannung zugeleitet wird. Aufgrund der Entspannung und des hohen Wassergehalts in dem Fluidstrom kommt es zu ei- ner Abkühlung des Abgasstroms auf Temperaturen von deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur. Temperaturen von 0 bis 30 °C sind hierbei typisch. Ebenfalls können Temperaturen von weniger als 0 °C erreicht werden, dies sollte jedoch vermieden werden, da durch Auskristallisation des in dem Fluidstrom 15 befindlichen Wassers Feststoffe entstehen, die die Bauteile des Expanders 13 beschädigen können.
Der in der Abgasleitung 14 geführte Abgasstrom kann nur einen Teil seiner Wärme (negative thermische Energie, Kälte) über den Rekuperator 20 an einen weiteren Fluidstrom abgeben.
Ebenfalls kann eine Übertragung von Kälte mittels eines zweiten Wärmetauschers 33 erfolgen, über welchen die Kälte auf ein zweites Wärmespeichermedium 36 übertragen wird, das in einem zweiten Wärmespeicher 31 bevorratet wird. Der zweite Wärmespeicher 31 kann hierbei wiederum mit einer geeigneten Anlage zur Kältenutzung, etwa einer Fernkälteanlage 51, verschaltet sein. Ausführungsgemäß ist es auch möglich, dass der erste Wärmespeicher 30 sowie der zweite Wärmespeicher 31 identisch sind, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten auf ein unterschiedliches Temperaturniveau aufgeladen werden.
FIG 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemä- ßen Gasturbinenkraftwerks 1, mittels welchem eine Betriebsphase einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb dieses Gasturbinenkraftwerks ausgeführt wird. In Bezug auf die bauliche Ausführungsform unterscheidet sich das Gasturbinenkraftwerk 1 von der in FIG 1 gezeigten Ausfüh- rungsform lediglich dahingehend, dass der Rekuperator 20 nicht nur mit einem einzigen Wärmespeicher verschaltet ist, sondern mit zwei Wärmespeichern 30 und 31. Hierbei ist bevorzugt, der erste Wärmespeicher 30 zur Bevorratung von Wärme mittels des ersten Wärmespeichermediums 35 auf einem ersten Temperaturniveau Tl vorgesehen, und der zweite Wärmespeicher 31 zur Bevorratung von Wärme mittels des zweiten Wärmespeichermediums 36 auf einem zweiten Temperaturniveau T2. Beide Wärmespeicher 30, 31 werden jeweils individuell über einen Wärmetauscher 32, 33 mit der Abgasleitung 14 verschaltet. Ebenso ist es möglich, dass die Abgasleitung 14, wie vorliegend gezeigt, eine Aufzweigung aufweist. Je nach Betriebsphase kann somit Wärme bzw. Kälte einem der beiden Wärmespeicher 30, 31 zugeführt werden. Folglich können bei Betrieb des Gasturbinenkraftwerks zwei Wärmespeicher auf unterschiedlichen Temperaturniveaus Tl, T2 zur Nutzung bereitstehen.
FIG 6 zeigt eine flussdiagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines weiter oben beschriebenen Gasturbinenkraftwerks 1, wel- ches folgende Schritte umfasst, während einer ersten Betriebsphase Bl :
Betreiben der Energetisierungseinheit 5 zur generatorischen Stromerzeugung (erster Verfahrensschritt 101) ; - Zuleiten von Wasser mittels der Zuführleitung 17 an die Gasturbine 10 zur Erhöhung des Betriebsmassenstroms
(zweiter Verfahrensschritt 102); Verdichten von Fluid mittels des Kompressors 11 und Führen des verdichteten Fluidstroms 15 mittels der Fluidlei- tung 16 an die Brennkammer 12 (dritter Verfahrensschritt 103) ;
- Verbrennen des verdichteten Fluids zusammen mit einem
Brennstoff in der Brennkammer 12 (vierter Verfahrensschritt 104) ;
Zuleitung der Verbrennungsprodukte von der Brennkammer 12 an den Expander 13 (fünfter Verfahrensschritt 105) ;
- Entspannen der Verbrennungsprodukte in dem Expander (13) und Ableiten des Abgasstroms aus dem Expander (13) mittels der Abgasableitung 14 (sechster Verfahrensschritt 106) ;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf das Fluid des Fluidstroms 15 mittels des Rekuperators 20 (siebter Verfahrensschritt 107) ;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf ein erstes Wärmespeichermedium 35 mittels eines ersten Wärmetauschers 32 und Speichern des Wärmespeichermediums 35 in dem ersten Wärmespeicher 30 (achter Verfahrensschritt
108) ;
und während einer zweiten Betriebsphase, die nicht zu Zeiten der ersten Betriebsphase ausgeführt wird: - Betreiben der Energetisierungseinheit 5 zum motorischen Antrieb des Kompressors 11 (erster Verfahrensschritt 201) ;
Verdichten von Luft mittels des Kompressors 11 und führen des verdichteten Luftstroms 15 mittels der Fluidleitung 16 an die Brennkammer 12 (zweiter Verfahrensschritt 202);
Verbrennen der verdichteten Luft zusammen mit einem
Brennstoff in der Brennkammer 12 (dritter Verfahrensschritt 203) ;
Zuleitung der Verbrennungsprodukte von der Brennkammer 12 an den Expander 13 (vierter Verfahrensschritt 204);
Entspannen der Verbrennungsprodukte in dem Expander 13 und Ableiten des Abgasstroms mittels der Abgasableitung 14 (fünfter Verfahrensschritt 205) ; Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf den Fluid- strom 15 mittels des Rekuperators 20 (sechster Verfahrensschritt 206) ;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf ein erstes Wärmespeichermedium 35 mittels des ersten Wärmetauschers
32 und Speichern des Wärmemediums 35 in dem ersten Wärmespeicher 30 (siebter Verfahrensschritt 207) .
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprü- chen.

Claims

Patentansprüche
1. Gasturbinenkraftwerk (1) , umfassend eine einen Kompressor (11) , eine Brennkammer (12) und einen Expander (13) auf- weisende Gasturbine (10) , die mit einer Energetisierungs- einheit (5) drehmechanisch gekoppelt ist, wobei die Energe- tisierungseinheit (5) sowohl für einen motorischen Betrieb des Kompressors (11) als auch für einen Strom erzeugenden, generatorischen Betrieb der Gasturbine (10) ausgebildet ist, sowie weiterhin einen Rekuperator (20) , welcher mit einer Abgasableitung (14) der Gasturbine (10) derart wärmetechnisch verschaltet ist, dass bei Betrieb der Gasturbine (10) Wärme aus dem Abgasstrom in der Abgasableitung (14) auf einen
Fluidstrom (15) in einer Fluidleitung (16) übertragen werden kann, welcher der Brennkammer (12) zugeführt wird, wobei weiterhin eine Zuführleitung (17) für Wasser vorgesehen ist, welche fluidtechnisch derart mit der Gasturbine (10) verschaltet ist, dass Wasser der Gasturbine (10) zur Erhöhung des Betriebsmassenstroms bei Betrieb zugeleitet werden kann, und wobei die Abgasableitung (14) überdies wärmetechnisch mit wenigstens einem Wärmespeicher (30) gekoppelt ist, so dass bei Betrieb der Gasturbine (10) Wärme des Abgasstroms auf ein Wärmespeichermedium (35) zur Bevorratung in dem Wärmespeicher (30) übertragen werden kann.
2. Gasturbinenkraftwerk gemäß Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der Fluidstrom (15) in der Fluidleitung (16) im Wesentlichen komprimierte Luft ist, wobei die Fluidleitung (16) an den Kompressor (11) fluidtechnisch angeschlossen ist.
3. Gasturbinenkraftwerk gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
weiterhin eine Wasserleitung (18) umfasst ist, welche in die Fluidleitung (16) mündet und den Fluidstrom (15) in der
Fluidleitung (16) bei Betrieb der Gasturbine (10) mit Wasser versorgen kann.
4. Gasturbinenkraftwerk gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Abgasableitung (14) mit einem Kondensator (40) wärmetechnisch verschaltet ist, welcher derart ausgebildet und jeweils mit der Zuführleitung (17) und/oder Wasserleitung (18) verschaltet ist, dass darin kondensiertes Wasser entsprechend erneut der Zuführleitung (17) und/oder Wasserleitung (18) zu- geführt werden kann.
5. Gasturbinenkraftwerk gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Abgasableitung (14) wärmetechnisch wenigstens mit zwei
Wärmespeichern (30, 31) gekoppelt ist, wobei der erste Wärmespeicher (30) mit einem ersten Wärmespeichermedium (35) und der zweite Wärmespeicher (31) mit einem zweiten Wärmespeichermedium (36) versehen ist, und bei regulärem Betrieb das Temperaturniveau (Tl) des ersten Wärmespeichers (30) ungleich ist zu dem Temperaturniveau (T2) des zweiten Wärmespeichers
(31) .
6. Gasturbinenkraftwerk gemäß Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der erste Wärmespeicher (30) über einen ersten Wärmetauscher
(32) mit der Abgasableitung (14) wärmetechnisch verschaltet ist, und der zweite Wärmespeicher (31) über einen zweiten Wärmetauscher (33) mit der Abgasableitung (14) wärmetechnisch verschaltet ist, wobei erster Wärmetauscher (32) und zweiter Wärmetauscher (33) nicht identisch sind.
7. Gasturbinenkraftwerk gemäß Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der erste Wärmespeicher (30) als auch der zweite Wärmespeicher (31) über einen ersten Wärmetauscher (32) mit der Abgasableitung (14) wärmetechnisch verschaltet ist.
8. Gasturbinenkraftwerk gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
weiterhin eine Bypass-Leitung (45) vorgesehen ist, welche mit der Fluidleitung (16) fluidtechnisch verschaltet ist, und die erlaubt, wenigstens einen Teil des in der Fluidleitung (16) geführten Fluidstroms (15) um den Rekuperator (20) herum zu führen, ohne dass dieser in dem Rekuperator (20) Wärme aufnimmt oder abgibt .
9. Gasturbinenkraftwerk gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Fluidleitung (16) zudem mit einer Abzweigleitung (45) fluidtechnisch verschaltet ist, die erlaubt, wenigstens einen Teil oder sogar die Gesamtheit des in der Fluidleitung (16) geführten Fluidstroms (15) direkt an den ersten Wärmetauscher (32) oder zweiten Wärmetauscher (33) zum Wärmeaustausch zu führen .
10. Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerk (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte,
während einer ersten Betriebsphase:
Betreiben der Energetisierungseinheit (5) zur generatorischen Stromerzeugung;
Zuleiten von Wasser mittels der Zuführleitung (17) an die
Gasturbine (10) zur Erhöhung des Betriebsmassenstroms; - Verdichten von Fluid mittels des Kompressors (11) und
Führen des verdichteten Fluidstroms (15) mittels der
Fluidleitung (16) an die Brennkammer (12);
Verbrennen des verdichteten Fluids zusammen mit einem
Brennstoff in der Brennkammer (12);
- Zuleitung der Verbrennungsprodukte von der Brennkammer
(12) an den Expander (13) ; Λ 6
Entspannen der Verbrennungsprodukte in dem Expander (13) und Ableiten des Abgasstroms aus dem Expander (13) mittels der Abgasableitung (14) ;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf das Fluid des Fluidstroms (15) mittels des Rekuperators (20) ;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf ein erstes Wärmespeichermedium (35) mittels eines ersten Wärmetauschers (32) und Speichern des Wärmespeichermediums (35) in dem ersten Wärmespeicher (30) ;
und während einer zweiten Betriebsphase, die nicht zu Zeiten der ersten Betriebsphase ausgeführt wird:
Betreiben der Energetisierungseinheit (5) zum motorischen Antrieb des Kompressors (11) ;
Verdichten von Luft mittels des Kompressors (11) und führen des verdichteten Luftstroms (15) mittels der Fluid- leitung (16) an die Brennkammer (12);
Verbrennen der verdichteten Luft zusammen mit einem
Brennstoff in der Brennkammer (12);
Zuleitung der Verbrennungsprodukte von der Brennkammer (12) an den Expander (13) ;
Entspannen der Verbrennungsprodukte in dem Expander (13) und Ableiten des Abgasstroms mittels der Abgasableitung (14) ;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf den Fluid- strom (15) mittels des Rekuperators (20) ;
Übertragen von Wärme aus dem Abgasstrom auf ein erstes Wärmespeichermedium (35) mittels des ersten Wärmetauschers (32) und Speichern des Wärmemediums (35) in dem ersten Wärmespeicher (30) .
11. Verfahren gemäß Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
weiterhin die folgenden Schritte während einer weiteren Be- triebsphase, die nicht zu Zeiten der ersten oder zweiten Betriebsphase ausgeführt wird, umfasst sind: Betreiben der Energetisierungsemheit (5) zum motorischen Antrieb des Kompressors (11) ;
Verdichten von Luft mittels des Kompressors (11) und Führen des verdichteten Luftstroms (15) mittels der Fluid- leitung (16) und der Abzweigleitung (45) an den ersten Wärmetauscher (32) ;
Übertragen von Wärme aus dem verdichteten Luftstrom (15) auf ein erstes Wärmemedium (35) mittels des ersten Wärmetauschers (32) und Speichern des Wärmemediums (35) in dem ersten Wärmespeicher (30) .
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
weiterhin die folgenden Schritte während einer weiteren Betriebsphase umfasst sind, die nicht zu Zeiten der ersten, zweiten oder dritten Betriebsphase ausgeführt wird:
Betreiben der Energetisierungseinheit (5) zum motorischen
Antrieb des Kompressors (11) ;
Zuleiten von Wasser mittels der Zuführleitung (17) an die Gasturbine (10) zur Erhöhung des Betriebsmassenstroms; Verdichten von Fluid mittels des Kompressors (11) und Führen des verdichteten Fluidstroms (15) mittels der Fluidleitung (16) und der Bypass-Leitung (40) unter Umgehung des Rekuperators (20) an die Brennkammer (12) ;
kein oder nur vermindertes Verbrennen eines Brennstoffes in der Brennkammer (12) ;
Zuleitung des verdichteten Fluidstroms (15) von der
Brennkammer (12) an den Expander (13) ;
Entspannen des Fluidstroms (15) als Abgasstrom in dem Expander (13) und Ableiten desselben mittels der Abgasableitung (14) ;
Übertragen von Wärme aus dem abgeleiteten Abgasstrom auf ein erstes oder zweites Wärmespeichermedium (34, 35) mittels eines ersten Wärmetauschers (32) oder eines zweiten Wärmetauschers (33) und Speichern des Wärmespeichermediums (34, 35) in dem ersten Wärmespeicher (30) oder dem zweiten Wärmespeicher (31) .
EP14725395.9A 2013-08-01 2014-05-08 Flexibilisiertes gasturbinenkraftwerk Withdrawn EP2999869A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013215083.0A DE102013215083A1 (de) 2013-08-01 2013-08-01 Flexibilisiertes Gasturbinenkraftwerk
PCT/EP2014/059454 WO2015014508A1 (de) 2013-08-01 2014-05-08 Flexibilisiertes gasturbinenkraftwerk

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2999869A1 true EP2999869A1 (de) 2016-03-30

Family

ID=50771252

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP14725395.9A Withdrawn EP2999869A1 (de) 2013-08-01 2014-05-08 Flexibilisiertes gasturbinenkraftwerk

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20160177827A1 (de)
EP (1) EP2999869A1 (de)
DE (1) DE102013215083A1 (de)
WO (1) WO2015014508A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020201068A1 (de) * 2020-01-29 2021-07-29 Siemens Aktiengesellschaft Anlage mit thermischem Energiespeicher, Verfahren zum Betreiben und Verfahren zur Modifikation

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4928478A (en) 1985-07-22 1990-05-29 General Electric Company Water and steam injection in cogeneration system
US4702074A (en) * 1985-07-30 1987-10-27 Michael Munk Internal combustion engine system with fog injection and heat exchange
US6107693A (en) * 1997-09-19 2000-08-22 Solo Energy Corporation Self-contained energy center for producing mechanical, electrical, and heat energy
US6294842B1 (en) * 1997-12-19 2001-09-25 Alliedsignal Inc. Fog cycle for microturbine power generating system
JP2000179984A (ja) * 1998-12-10 2000-06-30 Takenaka Komuten Co Ltd 蓄熱型熱電併給システム
JP3750474B2 (ja) * 2000-03-08 2006-03-01 株式会社日立製作所 熱電併給設備およびその運転方法
US6412291B1 (en) * 2000-09-05 2002-07-02 Donald C. Erickson Air compression improvement
JP4089187B2 (ja) * 2001-08-31 2008-05-28 株式会社日立製作所 熱電供給システム
US6931856B2 (en) * 2003-09-12 2005-08-23 Mes International, Inc. Multi-spool turbogenerator system and control method
US7775031B2 (en) * 2008-05-07 2010-08-17 Wood Ryan S Recuperator for aircraft turbine engines
DE102011001766B4 (de) * 2011-04-04 2014-08-07 Technische Universität Chemnitz Anlage und Verfahren zur Erzeugung von Heißwasser und/oder Dampf und für die Speicherung von Wasser in flüssiger und/oder gasförmiger Form zum Einsatz für ein Gasturbinenkraftwerk
JP2014047992A (ja) * 2012-08-31 2014-03-17 Hitachi Ltd 蓄熱システム及びそれを備える発電システム

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *
See also references of WO2015014508A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013215083A1 (de) 2015-02-05
US20160177827A1 (en) 2016-06-23
WO2015014508A1 (de) 2015-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3129610B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum speichern und rückgewinnen von energie
EP2594746A1 (de) Gasturbinenkraftwerk mit einer Gasturbinenanlage und Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenkraftwerks
EP2986825B1 (de) Energiespeicheranordnung zur flexibilisierung von kraftwerken
EP2447506A2 (de) System zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie
AT12844U1 (de) Verfahren zum Betreiben einer stationären Kraftanlage mit wenigstens einer Brennkraftmaschine
EP2288791B1 (de) Betrieb einer gas- und dampfturbinenanlage mittels frequenzumrichter
EP0008680A2 (de) Verfahren zur Erzeugung von Wärmeenergie durch Kombination der Kraft-Wärme-Kopplung mit der Wärmepumpe
EP2802757B1 (de) Gaskraftwerk
WO2022112063A1 (de) System und verfahren zur speicherung und abgabe von elektrischer energie mit deren speicherung als wärmeenergie
EP2748435A1 (de) Anlage zur speicherung thermischer energie
EP2999869A1 (de) Flexibilisiertes gasturbinenkraftwerk
DE102012110579A1 (de) Anlage und Verfahren zur Erzeugung von Prozessdampf
EP2880273A1 (de) Erweitertes gaskraftwerk zur stromspeicherung
WO2013185909A1 (de) Verfahren zum betreiben eines kraftwerks sowie kraftwerk
WO2015055294A1 (de) Stromspeicherung über thermische speicher und luftturbine
EP2989310B1 (de) Gasturbinen gekoppeltes speichersystem zur ansaugfluidvorwärmung
EP2610445A2 (de) Verfahren zum Betreiben einer stationären Kraftanlage mit wenigstens einer Brennkraftmaschine
EP2932054B1 (de) Gasturbinenkraftwerk mit verbesserter flexibilisierung
EP3327361A1 (de) Heizkraftwerk und verfahren zum betrieb eines solchen
DE102010048292A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks
DE102014119686A1 (de) Druckspeicherkraftwerk mit kombiniertem, rekuperativem Abhitzedampferzeuger
DE102013200101A1 (de) Gasturbinenanlage als flexibles Ausgleichskraftwerk

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20151223

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20180822

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20190103