EP3973156A1 - Gasturbine mit thermischem energiespeicher, verfahren zum betreiben und verfahren zur modifikation - Google Patents

Gasturbine mit thermischem energiespeicher, verfahren zum betreiben und verfahren zur modifikation

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Publication number
EP3973156A1
EP3973156A1 EP20718245.2A EP20718245A EP3973156A1 EP 3973156 A1 EP3973156 A1 EP 3973156A1 EP 20718245 A EP20718245 A EP 20718245A EP 3973156 A1 EP3973156 A1 EP 3973156A1
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EP
European Patent Office
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energy store
thermal energy
gas turbine
plant
heat
Prior art date
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Application number
EP20718245.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Migl
Ronald Schwarz
Denis Tschetschik
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3973156A1 publication Critical patent/EP3973156A1/de
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    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the invention relates to a system in which the exhaust gas from a gas turbine is fed into a thermal energy store, the thermal energy store being able to be used for various purposes.
  • the object is achieved by a system according to claim 1, a method for operating a system according to claim 12 and a method for modification according to claim 22.
  • FIG. 1 shows a combined cycle plant according to the prior art.
  • Figures 2, 3 and 4 the invention is shown schematically.
  • Figure 1 shows an example of an energy conversion system 1 '.
  • a gas turbine 100 is coupled to a generator 5 for generating electricity via a transmission 4 or a hitch 4.
  • the generator 5 is also connected to a steam turbine 6 via a coupling 2.
  • Steam turbines 6 are available when it is a combined power plant.
  • An energy conversion plant 1 can also have only one gas turbine 100 without a steam turbine 6.
  • a condenser 7 is connected to the steam turbine 6, if present.
  • the exhaust gas from the gas turbine 100 flows through an exhaust gas device or through a diffuser 8 into a heat recovery system (HRSG) 9, in which the hot exhaust air is used to generate steam.
  • HRSG heat recovery system
  • An exhaust chimney 10 is also available.
  • FIG. 1 An installation 1 according to the invention is shown schematically in FIG. 1
  • the hot exhaust gas from the gas turbine 100 is passed into an energy store 103 via the diffuser 8.
  • the energy from the energy store 103 can be taken when required to heat water for district heating and feed it into the district heating network or, as in this example, it is used to generate steam for a combined cycle plant.
  • electricity from renewable energy from wind power plants 106 or solar energy plants 109 can also be fed into the thermal energy store 103, in particular by means of an electric heater 36.
  • bypass 112 which either guides the hot exhaust gas from the gas turbine 100 directly into the thermal energy store 103 or into the heat recovery system (HRSG) 9.
  • chimneys 25, 26, 27 are provided in the present case, the chimney 25 being assigned to the heat recovery system 9, the chimney 26 to the energy store 103 and the chimney 27 to the bypass 112. If the gas turbine 100 is operated at full load and its energy is required to drive the generator 5, then the exhaust gas from the gas turbine is wholly or largely conducted directly into the thermal energy store 103.
  • the hot exhaust gas from the gas turbine 100 can be directed into the HRSG 9 and / or into the thermal energy store 103, depending on the network load.
  • the gas turbine 100 can be shut down to a certain level. No further loading of the thermal energy storage device 103 then has to take place.
  • the thermal energy store 103 is loaded ent in order to operate the steam turbine 6, which in turn drives the generator 5 or keeps the boiler warm.
  • the gas turbine is operated as a "peaker” or is operated in an open cycle, which may be a stand-alone gas turbine or a gas turbine in a combined cycle plant 1, the hot exhaust gas from the gas turbine 100 is mainly or completely used to store the thermal energy 103 to load.
  • a steam turbine 6 and upstream processes, as shown in FIG. 3, can be used as means 9 in order to use the energy stored in the energy store 103 in order to generate electricity.
  • the gas turbine 100 is shown, which is operated in open cycle or simple cycle or combined cycle operation.
  • the hot exhaust gas from the gas turbine 100 can be added to the thermal energy store 103 via the line 13 ′.
  • the energy store 103 preferably has temperature stable rocks with high thermal density or ceramic materials.
  • the storage material defines a plurality of gas channels through which the hot exhaust gas can flow.
  • the storage medium is provided with insulation on the outside, which can be made of fireclay bricks or the like, for example. The insulation should be designed in such a way that the temperature on the outside does not exceed 60 °.
  • the exhaust gas temperature and the exhaust gas mass flow rate during the loading of the energy store 103 depend on the type of gas turbine used.
  • the exhaust gas temperature is, for example, approximately 550 ° C. and the exhaust gas mass flow rate is approximately 560 kg / s
  • the exhaust gas mass flow rate is approximately 560 kg / s
  • the storage medium of the energy store 103 or its gas ducts are to be designed in such a way that a maximum allowable counterpressure is not exceeded during loading, which could endanger the proper functioning of the gas turbine 100.
  • the energy can be taken from the thermal energy store 103 in the form of hot air in order to direct it to a means 6, 9, 30 for the purpose of generating electricity.
  • the hot air is routed via a discharge line 13 ′′ from the energy storage 103 in order to generate hot steam for a steam turbine 6 which drives a generator 5 using a condenser 16, a pump 19 and a heat recovery system 9 (heat exchanger) .
  • a blower 14 is used in the present case, which is connected to one side of the energy store 103 via a supply line 17 and to another side of the energy store 103 via a bypass line 18, to which the discharge line 103 ′′ is also connected.
  • the hot air stored in the energy store 103 exits on the other side of the energy store 103 and the discharge line 13 ′′ is introduced.
  • this can be with an adjustable or controllable mass flow Cold air are mixed, which is supplied via the bypass line 18 leads.
  • the fan 14 is designed in such a way that it generates a mass flow of approximately 350 kg / s.
  • thermo energy storage 103 for heating water, using refrigeration machines, expansion machines, process heat for drying systems or for district heating, in that the energy is decoupled via one of the chimneys 25, 26, 27.
  • FIG. 4 shows a further variant in which, in addition to FIG. 3, renewable energies such as wind energy, solar energy or electricity from water storage tanks 33 are used to heat the thermal energy storage device 103 by means of an electrical heater 36, optionally for hot exhaust gas .
  • renewable energies such as wind energy, solar energy or electricity from water storage tanks 33 are used to heat the thermal energy storage device 103 by means of an electrical heater 36, optionally for hot exhaust gas .
  • FIG. 3 and FIG. 4 the part of the gas turbine 100 or combined cycle plant 1 is only shown schematically and corresponds to FIG. 1 or 2.
  • the thermal energy store 103 is preferably constructed in a modular manner. Individual modules can be heated separately from one another and thus brought to different temperatures.
  • the module with the highest temperature is “discharged” first, in order to use it for the steam turbine 6 or HRSG 9 in particular.

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Abstract

Durch die Verwendung eines thermischen Energiespeichers (103) in Kombination mit einer Gasturbine (103) kann die Anlage (1) flexibel betrieben werden.

Description

Gasturbine mit thermischem Energiespeicher, Verfahren zum Be treiben und Verfahren zur Modifikation
Die Erfindung betrifft eine Anlage, bei der das Abgas einer Gasturbine in einen thermischen Energiespeicher geleitet wird, wobei der thermische Energiespeicher für verschiedene Zwecke verwendet werden kann.
Gasturbinen werden heute im aktuellen Energiemarkt oft als sogenannte „Peaker" verwendet und müssen daher schnell in ih rer Leistung hoch- und runtergefahren werden. Dies ist aus dem Ruhezustand nicht möglich sowie erscheint das Weiterlau fenlassen der Gasturbine auch nicht sinnvoll.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren zur Modifikation nach Anspruch 22.
Die Figur 1 zeigt eine GuD-Anlage nach dem Stand der Technik. In den Figuren 2, 3 und 4 ist schematisch die Erfindung dar gestellt.
Die Zeichnung und die Beschreibung stellen nur Ausführungs beispiele der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt beispielhaft eine Energieumwandlungsanlage 1 ' . Eine Gasturbine 100 ist über ein Getriebe 4 oder eine Kupp lung 4 mit einem Generator 5 zur Stromerzeugung gekoppelt.
Der Generator 5 ist ebenfalls mit einer Dampfturbine 6 über eine Kupplung 2 verbunden.
Dampfturbinen 6 sind dann vorhanden, wenn es sich um eine Kombikraftanlage handelt. Eine Energieumwandlungsanlage 1 kann auch nur eine Gasturbine 100 ohne Dampfturbine 6 aufwei sen .
An die Dampfturbine 6, falls vorhanden, ist ein Kondenser 7 angeschlossen .
Das Abgas aus der Gasturbine 100 strömt über eine Abgasvor richtung oder über einen Diffusor 8 in eine Wärmerückgewin nungsanlage (HRSG) 9 aus, bei der die heiße Abluft benutzt wird zur Dampferzeugung . Ebenso ist ein Abluftkamin 10 vor handen .
In Figur 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anlage 1 dargestellt .
Das heiße Abgas der Gasturbine 100 wird über den Diffusor 8 in einen Energiespeicher 103 geleitet.
Die Energie aus dem Energiespeicher 103 kann bei Bedarf ent nommen werden, um Wasser für Fernwärme zu erwärmen und ins Fernwärmenetz einzuspeisen oder wie hier in diesem Beispiel wird er genutzt, um für eine GuD-Anlage Dampf zu erzeugen. Optional kann noch Strom aus erneuerbarer Energie von Wind kraftanlagen 106 oder Solarenergieanlagen 109 in den thermi schen Energiespeicher 103 zugeführt werden, insbesondere mit tels eines elektrischen Heizers 36.
Je nach Anwendungsfall, insbesondere im Fall des GuD, ist ein Bypass 112 vorhanden, der entweder das heiße Abgas der Gas turbine 100 direkt in den thermischen Energiespeicher 103 leitet oder in das Wärmerückgewinnungssystem (HRSG) 9.
Ferner sind vorliegend Kamine 25, 26, 27 vorgesehen, wobei der Kamin 25 dem Wärmerückgewinnungssystem 9, der Kamin 26 dem Energiespeicher 103 und der Kamin 27 dem Bypass 112 zuge ordnet ist. Wird die Gasturbine 100 bei Volllast betrieben und deren Energie benötigt, um den Generator 5 anzutreiben, so wird das Abgas der Gasturbine direkt ganz oder größtenteils in den thermischen Energiespeicher 103 geleitet.
Im GuD-Betrieb kann je nach Netzauslastung das heiße Abgas der Gasturbine 100 in den HRSG 9 geleitet werden und/oder in den thermischen Energiespeicher 103.
Wird im Netz weniger Elektrizität benötigt, so kann die Gas turbine 100 runtergefahren werden auf ein bestimmtes Maß. Dabei muss dann keine weitere Beladung des thermischen Ener giespeichers 103 erfolgen.
Falls notwendig wird der thermische Energiespeicher 103 ent laden, um die Dampfturbine 6 zu betreiben, die dann wiederum den Generator 5 antreibt bzw. den Kessel warmhält.
Wenn die Gasturbine als „Peaker" betrieben wird oder im Open Cycle betrieben wird, wobei dies eine alleinstehende Gastur bine oder eine Gasturbine in einer GuD-Anlage 1 sein kann, wird das heiße Abgas der Gasturbine 100 hauptsächlich oder vollständig benutzt, um den thermischen Energiespeicher 103 zu beladen.
Als Mittel 9 kann eine Dampfturbine 6 und vorgeschaltete Pro zesse, wie in Figur 3 gezeigt, verwendet werden, um die ge speicherte Energie im Energiespeicher 103 zu verwenden, um Elektrizität zu erzeugen.
In Figur 3 ist eine detaillierte Anordnung der erfindungsge mäßen Anlage 1 gezeigt.
Im oberen Bereich ist die Gasturbine 100 gezeigt, die im Open Cycle bzw. Simple Cycle oder GuD-Betrieb betrieben wird. Das heiße Abgas der Gasturbine 100 kann über die Leitung 13' dem thermischen Energiespeicher 103 zugefügt werden. Der Energie speicher 103 weist als Speichermaterial bevorzugt temperatur- stabile Gesteine mit hoher Wärmedichte oder keramische Mate rialien auf. Das Speichermaterial definiert eine Vielzahl von Gaskanälen, durch die das heiße Abgas hindurchströmen kann. Das Speichermedium ist außen mit einer Isolierung versehen, die beispielsweise aus Schamottsteinen oder dergleichen her gestellt sein kann. Die Isolierung sollte derart ausgelegt sein, dass die Temperatur an der Außenseite 60° nicht über schreitet. Die Abgastemperatur und der Abgasmassestrom wäh rend des Beladens des Energiespeichers 103 hängen vom einge setzten Gasturbinentyp ab. Bei einer Siemens-Gasturbine des Typs 2000E beträgt die Abgastemperatur beispielsweise etwa 550°C und der Abgasmassestrom etwa 560 kg/s, bei einer Sie mens-Gasturbine des Typs 4000F etwa 605°C und 650 kg/s. Das Speichermedium des Energiespeichers 103 bzw. dessen Gaskanäle sind so zu gestalten, dass beim Beladen ein maximal zulässi ger Gegendruck nicht überschritten wird, der die ordnungsge mäße Funktionsweise der Gasturbine 100 gefährden könnte.
Ebenso kann die Energie aus dem thermischen Energiespeicher 103 in Form von heißer Luft entnommen werden, um sie zu einem Mittel 6, 9, 30 zwecks Stromerzeugung zu leiten. Dazu wird die heiße Luft über eine Abfuhrleitung 13'' aus dem Energie speicher 103 geleitet, um vorliegend mittels eines Kondensers 16, einer Pumpe 19 und einer Wärmerückgewinnungsanlage 9 (Wärmetauscher) heißen Dampf für eine Dampfturbine 6 zu er zeugen, die einen Generator 5 antreibt. Zur Ausleitung der heißen Luft aus dem Energiespeicher 103 bzw. zum Entladen des Energiespeichers 103 wird vorliegend ein Gebläse 14 einge setzt, das über eine Zuführleitung 17 mit einer Seite des Energiespeichers 103 und über eine Bypassleitung 18 mit einer anderen Seite des Energiespeichers 103 verbunden ist, an die auch die Abfuhrleitung 103'' angeschlossen ist. Wird der Energiespeicher 103 unter Einsatz des Gebläses 14 über die Zuführleitung 17 mit Kaltluft beaufschlagt, so tritt die dem Energiespeicher 103 gespeicherte heiße Luft auf der anderen Seite des Energiespeichers 103 aus und wird die die Abfuhr leitung 13'' eingeleitet. Zur Senkung der Temperatur, der den Energiespeicher 103 verlassenden heißen Luft kann diese be darfsweise mit einem einstell- bzw. regelbaren Massestrom Kaltluft gemischt werden, der über die Bypassleitung 18 zuge führt wird. Das Gebläse 14 ist vorliegend derart ausgelegt, dass es einen Massestrom von etwa 350 kg/s erzeugt.
Ebenso ist es möglich, die Energie aus dem thermischen Ener giespeicher 103 für die Erwärmung von Wasser, in Anwendung von Kältemaschinen, Expansionsmaschinen, Prozesswärme für Trocknungsanlagen oder für Fernwärme zu nutzen, indem die Energie über einen der Kamine 25, 26, 27 ausgekoppelt wird.
In Figur 4 ist eine weitere Variante gezeigt, bei der in Er gänzung zu Figur 3 erneuerbare Energien wie Windenergie, So larenergie oder Elektrizität von Wasserspeichern 33 verwendet werden, um den thermischen Energiespeicher 103 mittels eines elektrischen Heizers 36 zu erwärmen, optional zum heißen Ab gas .
In Figur 3 und Figur 4 ist der Teil der Gasturbine 100 oder GuD-Anlage 1 nur schematisch dargestellt und entsprechen der Figur 1 oder 2.
Der thermische Energiespeicher 103 ist vorzugsweise modular aufgebaut. Einzelne Module können separat voneinander aufge heizt und so auf unterschiedliche Temperaturen gebracht wer den .
Hohe Temperaturen im Energiespeicher 103 sind thermodynamisch am besten.
Wenn ein Modul die höchste Temperatur erreicht, kann ein an deres Modul erwärmt werden.
Dementsprechend wird zuerst das Modul mit der höchsten Tempe ratur „entladen", um es insbesondere für die Dampfturbine 6 oder HRSG 9 zu verwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Energieerzeugungsanlage (1),
zumindest aufweisend:
zumindest eine Gasturbine (100)
mit einer Abgasvorrichtung (8),
zumindest einen Generator (5),
zumindest einen thermischen Energiespeicher (103),
wobei der Generator (5) von der Gasturbine (100) angetrieben werden kann,
wobei über die Abgasvorrichtung (8) das heiße Abgas der Gas turbine (100) vorzugsweise direkt in einen thermischen Ener giespeicher (103) geleitet werden kann, sowie
Mittel (6, 9, 30 ) ,
um die thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher (103) zumindest teilweise,
insbesondere nur,
zur Stromerzeugung zu verwenden.
2. Anlage nach Anspruch 1,
die keinen Strom aus erneuerbaren Energien,
insbesondere nicht von Wind (106), nicht aus Wasserenergie, nicht aus Solarenergie (109) verwenden kann,
um den thermischen Energiespeicher (103) zu erwärmen.
3. Anlage nach Anspruch 1,
die Strom aus
Wind (106) und/oder
Wasserenergie und/oder
Solarenergie (109)
verwenden kann,
insbesondere mittels eines elektrischen Heizers (36),
um den thermischen Energiespeicher (103) zu erwärmen.
4. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die Solarenergie nicht zur Erwärmung von Luft oder sonstigen Arbeitsfluiden verwenden kann.
5. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder
4,
die überflüssigen Strom aus einem externen Stromnetz ver wenden kann,
insbesondere mittels eines elektrischen Heizers (36), um den thermischen Energiespeicher (103) zu erwärmen.
6. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei der neben der Gasturbine (100) eine Dampfturbine (6) vor handen ist,
die auch einen oder den Generator (5) antreiben kann, wobei der thermische Energiespeicher (103) benutzt werden kann,
um die Dampfturbine (6) zu betreiben.
7. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4,
5 oder 6,
bei der ein Wärmerückgewinnungssystem (9) vorhanden ist, in das heißes Abgas aus der Gasturbine (100) oder Dampf von einer Dampfturbine (6) gelangen kann.
8. Anlage nach Anspruch 1 oder 7,
bei der zumindest ein Bypass (112) zwischen Abgasvorrichtung (8) der Gasturbine (100) und thermischem Energiespeicher (103) vorhanden ist,
der es ermöglicht,
das heiße Abgas der Gasturbine (100) selektiv in den ther mischen Energiespeicher (103) und/oder in ein Wärmerückge winnungssystem (9) zu leiten.
9. Anlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei der der thermische Energiespeicher (103) modular aufge baut ist,
um den Energiespeicher (103) in den einzelnen Modulen ver schieden aufzuwärmen.
10. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche,
bei der der thermische Energiespeicher (103) über ein Gebläse (14) entladen wird, das dem Energiespeicher (103) über eine Zuführleitung (17) kalte Luft derart zuführt, dass heiße Luft aus dem Energiespeicher (103) gedrückt wird, wobei die dem Energiespeicher (103) verlassende heiße Luft bevorzugt mit einem regelbaren Massestrom kalter Luft gemischt werden kann, die über eine Bypassleitung zugeführt wird.
11. Anlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die einen einzigen Generator (5) für eine Gasturbine (100) und eine Dampfturbine (6) aufweist,
insbesondere als Einwellenanlage.
12. Anlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei der Solarenergie nicht zur Erhitzung von Luft oder kom primierter Luft verwendet werden kann;
weder für den HRSG (9), die Gasturbine (100) noch den thermi schen Energiespeicher (103) .
13. Verfahren zum Betreiben einer Energieerzeugungsanlage
(1) ,
zumindest aufweisend
zumindest eine Gasturbine (100)
mit einer Abgasvorrichtung (8),
zumindest einen Generator (5),
zumindest einen thermischen Energiespeicher (103),
wobei der Generator (5) von der Gasturbine (100) angetrieben wird,
wobei über die Abgasvorrichtung (8) das heiße Abgas der Gas turbine (100) ,
insbesondere direkt,
in den thermischen Energiespeicher (103) geleitet wird, insbesondere nur das Abgas einer Gasturbine (100) verwendet wird,
um den thermischen Energiespeicher (103) zu erhitzen,
sowie Mittel (6, 9, 30), um die thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher (103) zumindest zur Stromerzeugung zu nutzen.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
bei dem die Anlage (1) eine GuD-Anlage mit einer Dampfturbine (6) und mit einem thermischen Energiespeicher (103) dar stellt,
wobei die gespeicherte Energie aus dem thermischen Energie speicher (103) verwendet wird,
um die Dampfturbine (6) zu betreiben.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
bei dem das heiße Abgas aus der Gasturbine (100) selektiv um geleitet wird in einen thermischen Energiespeicher (103) oder in ein Wärmerückgewinnungssystem (9),
insbesondere mittels eines Bypasses (112) .
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13, 14 oder 15,
bei dem der Energiespeicher (103) selektiv aufgeladen und entladen wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13, 14,
15 oder 16
bei dem der Energiespeicher (103) unter Verwendung eines Ge bläses (14) entladen wird, das heiße Luft aus dem Energie speicher (103) drückt, wobei die den Energiespeicher (103) verlassende heiße Luft mit einem regelbaren Massestrom kalter Luft gemischt werden kann.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14, 15,
16 oder 17,
bei dem Elektrizität von Solar-, Wasser- und/oder Windenergie verwendet wird,
insbesondere mittels eines elektrischen Heizers (36)
um den thermischen Energiespeicher (103) zusätzlich hoch zu heizen, ganz insbesondere aus Sonnen-, Wasser- und/oder Windenergie nur elektrischer Strom verwendet wird.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14, 15,
16, 17 oder 18,
bei dem die Gasturbine (100) im Open Cycle betrieben wird.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14, 15,
16, 17 oder 18,
bei dem die Gasturbine (100) im GuD Betrieb betrieben wird.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14, 15,
16, 17, 18, 19 oder 20,
bei dem nur die Dampfturbine (6) in einer GuD-Anlage mittels der Energie aus dem thermischen Energiespeicher (103) be trieben wird.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche,
bei dem Solarenergie nicht zur Erhitzung von Luft oder kom primierter Luft verwendet wird;
weder für den HRSG (9), die Gasturbine (100) noch den ther mischen Energiespeicher (103) .
23. Verfahren zur Modifikation einer bestehenden Energie erzeugungsanlage (1'),
insbesondere einer GuD-Anlage,
bei dem zumindest ein thermischer Energiespeicher (103) hin zugefügt wird,
der mittels des heißen Abgases der Gasturbine (100) erhitzt werden kann.
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