Kraftwerksanlage Power plant
Technisches GebietTechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie ein bevorzugtes Betriebsverfahren.The present invention relates to a power plant according to the preamble of claim 1 and a preferred operating method.
Stand der TechnikState of the art
Sogenannte CAES-Kraftwerke sind im Stand der Technik, beispielsweise aus der US 5,537,822, hinreichend bekannt. Bei diesen Kraftwerken wird ein Speichervolumen mit einem gespannten Speicherfluid, insbesondere Luft, befüllt. In Zeiten hohen Strombedarfs wird das gespeicherte Fluid arbeitsleistend in einer Kraftmaschine entspannt, welche einen Generator antreibt. Bei einem gegebenen Druckverhältnis über die Kraftmaschine ist die Ausnutzung des Speicherfluides dabei umso höher, je höher die Temperatur des Speicherfluides am Eintritt in die Kraftmaschine ist.So-called CAES power plants are well known in the prior art, for example from US 5,537,822. In these power plants, a storage volume is filled with a tense storage fluid, in particular air. In times of high electricity demand, the stored fluid is expanded while working in an engine that drives a generator. For a given pressure ratio across the engine, the higher the temperature of the storage fluid at the inlet to the engine, the higher the utilization of the storage fluid.
Die US 5,537,822 schlägt vor, die Entspannung des Speicherfluides in mehreren Schritten vorzunehmen, und vor jedem Entspannungsschritt eine Erwärmung des Fluides vorzunehmen. Dies erfordert einen hohen apparativen Aufwand, da mehrere Kraftmaschinen und mehrere Wärmetauscher strömungsmässig in Reihe geschaltet angeordnet werden müssen. Alternativ
schlägt US 5,537,822 vor, das Speicherfluid vorgängig der Expansion in der Kraftmaschine mittels der Abwärme einer Gasturbogruppe zu erwärmen. Dies bedarf der Anordnung und des Betriebes einer Gasturbogruppe.No. 5,537,822 proposes to carry out the expansion of the storage fluid in several steps and to heat the fluid before each expansion step. This requires a lot of equipment, since several engines and several heat exchangers have to be arranged in series in terms of flow. alternative proposes US 5,537,822 to heat the storage fluid prior to expansion in the engine by means of the waste heat from a gas turbine group. This requires the arrangement and operation of a gas turbine group.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eineThe invention seeks to remedy this. The invention characterized in the claims is based on the object
Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden vermag. Insbesondere soll die Erfindung eine CAES-Kraftwerksanlage angeben, bei der das Speicherfluid vorgängig der Entspannung auf eine möglichst hohe Temperatur gebracht werden kann, ohne aufwändige Nebenaggregate anzuordnen. Ebenso soll auch die Anordnung weiterer Kamine vermieden werden, da deren Anzahl häufig im Rahmen der Bau- und Betriebsgenehmigungen streng limitiert ist.Power plant of the type mentioned, which can avoid the disadvantages of the prior art. In particular, the invention is intended to specify a CAES power plant in which the storage fluid can be brought to the highest possible temperature beforehand, without the need for expensive auxiliary units. The arrangement of additional fireplaces should also be avoided, since their number is often strictly limited within the scope of the building and operating permits.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe unter Verwendung der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved using the entirety of the features of claim 1.
Kern der Erfindung ist es also, die Kraftwerksanlage so auszuführen, dass das Speicherfluid in der Kraftmaschine an sich vollständig, das heisst im Wesentlichen bis auf Atmosphärendruck, entspannt wird, anschliessend eine atmosphärische Brennkammer durchströmt, wobei in dem entspannten Speicherfluid ein Brennstoff verbrannt wird, und das bei der Verbrennung entstehende Rauchgas die Primärseite eines Wärmeübertragungsapparates durchströmt, wobei es im Wärmetausch mit dem der Kraftmaschine zuströmenden Speicherfluid abgekühlt wird. Anschliessend strömt das abgekühlte Rauchgas als Abgas ab. Das aus dem Speichervolumen entnommene Speicherfluid wird dabei vorgängig der Entspannung in der Kraftmaschine erwärmt, wodurch das über die Kraftmaschine zur Verfügung
stehende massenspezifische Enthalpiegefälle ansteigt. Das heisst, für die Erzeugung einer bestimmten Nutzleistung ist ein geringerer Speicherfluidmassenstrom notwendig, oder umgekehrt, mit einem gegebenen Speicherdruck und -volumen kann mehr elektrische Energie erzeugt werden. Als Speicherfluid eignet sich insbesondere Luft, da diese praktisch unbegrenzt verfügbar ist und problemlos zur Verbrennung eines Brennstoffes in der atmosphärischen Brennkammer verwendet werden kann.The essence of the invention is therefore to design the power plant in such a way that the storage fluid in the engine itself is completely expanded, that is to say essentially to atmospheric pressure, and then flows through an atmospheric combustion chamber, a fuel being burned in the expanded storage fluid, and the flue gas produced during combustion flows through the primary side of a heat transfer apparatus, it being cooled in the heat exchange with the storage fluid flowing to the engine. The cooled flue gas then flows off as exhaust gas. The storage fluid removed from the storage volume is heated beforehand to relax in the engine, as a result of which it is available via the engine standing mass-specific enthalpy gradient increases. This means that a lower storage fluid mass flow is necessary to generate a certain useful output, or vice versa, with a given storage pressure and volume, more electrical energy can be generated. Air is particularly suitable as the storage fluid, since it is available in practically unlimited quantities and can be used without difficulty to burn a fuel in the atmospheric combustion chamber.
Die erfindungsgemässe Anordnung zeichnet sich durch eine ganze Reihe von Vorteilen aus: Einerseits wird das Speicherfluid unmittelbar zur Verbrennung des Brennstoffes benutzt. Dies hat einerseits den Vorteil, dass aufwändige Einrichtungen zur Förderung von Verbrennungsluft entfallen, da das entspannte Speicherfluid ohnehin einen Abströmtrakt der Kraftmaschine durchströmen muss. Zudem kann auf einen neben einem Abluftkamin anzuordnenden weiteren Kamin verzichtet werden. Andererseits erfolgt die Verbrennung erst stromab der Kraftmaschine, und das der Kraftmaschine zuströmende Speicherfluid wird im indirekten Wärmetausch erwärmt. Das bedeutet, dass die Kraftmaschine von Speicherfluid, im allgemeinen Luft, anstelle von aggressiven Rauchgasen durchströmt wird. Auf Schutzmassnahmen gegen aggressive Rauchgase kann also verzichtet werden. Es können daher wesentlich kostengünstigere Kraftmaschinen eingesetzt werden als dies bei einer Beaufschlagung mit Rauchgasen der Fall wäre. Insbesondere können Dampfturbinen mit geringen Modifikationen als Expansionskraftmaschinen für das Speicherfluid Anwendung finden; dabei ist es von Vorteil, wenn die Eintrittstemperatur des Speicherfluides begrenzt wird, um mit den zulässigen Eintrittstemperaturen der Turbine von beispielsweise rund 500°C bis 600°C oder auch 650°C ohne Verwendung von Hochtemperaturwerkstoffen kompatibel zu bleiben. Eine Turbine, welche zur Expansion eines nicht aggressiven Speicherfluides vorgesehen ist und daher ohne besondere Massnahmen gegen aggressive und korrosive Medien auskommt, wird hiernach summarisch als Luftturbine bezeichnet.
Sehr vorteilhaft und mit geringem Aufwand lässt sich die erfindungsgemässe Kraftwerksanlage mit genau einer einzigen Expansions-Kraftmaschine ausführen. In einer vorteilhaften Ausführungsform steht der vom gespannten Speicherfluid durchströmte sekundärseitige Strömungsweg des Wärmeübertragungsapparates in im Wesentlichen unmittelbarerThe arrangement according to the invention is distinguished by a whole series of advantages: on the one hand, the storage fluid is used directly for the combustion of the fuel. On the one hand, this has the advantage that complex devices for conveying combustion air are eliminated, since the relaxed storage fluid has to flow through an outflow tract of the engine anyway. In addition, there is no need for a further chimney to be arranged next to an exhaust chimney. On the other hand, the combustion only takes place downstream of the engine, and the storage fluid flowing to the engine is heated in indirect heat exchange. This means that the engine is traversed by storage fluid, generally air, instead of aggressive smoke gases. Protective measures against aggressive flue gases can therefore be dispensed with. It is therefore possible to use much less expensive engines than would be the case if smoke gases were applied. In particular, steam turbines with minor modifications can be used as expansion engines for the storage fluid; it is advantageous if the inlet temperature of the storage fluid is limited in order to remain compatible with the permissible inlet temperatures of the turbine, for example around 500 ° C. to 600 ° C. or even 650 ° C., without using high-temperature materials. A turbine which is intended for the expansion of a non-aggressive storage fluid and therefore does not require any special measures against aggressive and corrosive media is hereinafter referred to collectively as an air turbine. The power plant system according to the invention can be implemented very advantageously and with little effort with exactly one single expansion engine. In an advantageous embodiment, the secondary-side flow path of the heat transfer apparatus through which the tensioned storage fluid flows is essentially immediate
Fluidverbindung mit der Hochdruckseite der Expansions-Kraftmaschine, derart, dass das erwärmte Speicherfluid zu der Expansionsmaschine strömt, ohne weitere Apparate zu durchströmen. Weiterhin wird mit Vorteil in eben diesem Sinne eine im Wesentlichen unmittelbare Fluidverbindung von der Niederdruckseite der Expansionskraftmaschine zu der atmosphärischenFluid connection with the high pressure side of the expansion engine, such that the heated storage fluid flows to the expansion machine without flowing through further apparatus. It is also advantageous in this sense to establish an essentially direct fluid connection from the low-pressure side of the expansion engine to the atmospheric one
Brennkammer hergestellt. Ein weiterer Vorteil ist in der zwanglos gegebenen Kompatibilität der primärseitig und sekundärseitig den Wärmeübertragungsapparat durchströmenden Fluidmassenströme zu sehen, aufgrund welcher die Temperaturverhältnisse am Eintritt und Austritt aus dem Wärmetauscherapparat im Wesentlichen nur noch eine Funktion von dessen Dimensionierung sind.Combustion chamber manufactured. Another advantage can be seen in the informal compatibility of the fluid mass flows flowing through the heat transfer apparatus on the primary and secondary sides, on the basis of which the temperature conditions at the inlet and outlet from the heat exchanger apparatus are essentially only a function of its dimensioning.
Mit grösstem Vorteil ist stromab der atmosphärischen Brennkammer ein Rauchgasreinigungskatalysator angeordnet. Aufgrund des zur Funktion des Katalysators erforderlichen Temperaturfensters ist dieser mit Vorteil innerhalb des Wärmeübertragungsapparates angeordnet, und zwar an einer Stelle, an der sich die aus der atmosphärischen Brennkammer austretenden Rauchgase im Wärmetausch mit dem gespannten Speicherfluid bereits weit genug abgekühlt haben, um eine Beschädigung des Katalysators zu vermeiden, aber immer noch eine Temperatur aufweisen, bei der eine hinreichende katalytische Wirkung sichergestellt ist. Das heisst, dass der Katalysator innerhalb des primärseitigen Strömungsweges des Wärmeübertragungsapparates stromab eines ersten und stromauf eines zweiten Teils des primärseitigen Strömungsweges angeordnet ist.A flue gas cleaning catalytic converter is arranged with the greatest advantage downstream of the atmospheric combustion chamber. Because of the temperature window required for the catalytic converter to function, it is advantageously arranged within the heat transfer apparatus, specifically at a point at which the flue gases emerging from the atmospheric combustion chamber have already cooled down sufficiently in the heat exchange with the tensioned storage fluid to damage the catalytic converter to avoid, but still have a temperature at which a sufficient catalytic effect is ensured. This means that the catalyst is arranged within the primary-side flow path of the heat transfer apparatus downstream of a first and upstream of a second part of the primary-side flow path.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin stromab des sekundärseitigen Strömungsweges des Wärmeübertragungsapparates und
stromauf der Expansionsmaschine eine Hochdruckbrennkammer angeordnet. Diese ermöglicht eine weitere Steigerung der massenstromspezifischen Leistungsabgabe, erfordert aber, wie oben angedeutet, im Gegenzug entsprechende Massnahmen an der Expansionsmaschine, weil diese dann von aggressiven Rauchgasen durchströmt wird, und die Komponenten höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Es kann in diesem Falls bevorzugt der Turbinenteil einer Gasturbogruppe als Expansionskraftmaschine Verwendung finden. Es wird bei dieser Ausführungsform bevorzugt auf an sich bekannte geeignete Weise die Temperatur am Eintritt der Expansionsmaschine direkt oder indirekt bestimmt und der Brennstoffmassenstrom zurIn a further embodiment of the invention is further downstream of the flow path of the heat transfer apparatus and a high-pressure combustion chamber is arranged upstream of the expansion machine. This enables a further increase in the mass flow-specific power output, but, as indicated above, in return requires corresponding measures on the expansion machine, because aggressive smoke gases then flow through it and the components are exposed to higher temperatures. In this case, the turbine part of a gas turbine group can preferably be used as an expansion engine. In this embodiment, the temperature at the inlet of the expansion machine is preferably determined directly or indirectly, and the fuel mass flow, in a suitable manner known per se
Hochdruckbrennkammer wird durch Verstellung eines Brennstoffmassenstrom- Stellorgans gesteuert, um diese Temperatur auf einem Sollwert zu halten, oder, um diese Temperatur auf einen zulässigen Maximalwert zu begrenzen.High-pressure combustion chamber is controlled by adjusting a fuel mass flow actuator to keep this temperature at a setpoint or to limit this temperature to an allowable maximum value.
In einer Betriebsweise der erfindungsgemässen Kraftwerksanlage wird dieIn one mode of operation of the power plant according to the invention, the
Nutzleistung der Expansions-Kraftmaschine geregelt, indem bevorzugt auf den Speicherfluid-Massenstrom eingegriffen wird. Dies erfordert geeignete Mittel zur Bestimmung der Nutzleistung, vorzugsweise als Leistung eines von der Expansions-Kraftmaschine angetriebenen Generators. Vorzugsweise wird mit der so bestimmten Leistung als Regelgrösse ein Leistungsregler beschaltet, der als Stellgrösse auf ein Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan eingreift.Useful power of the expansion engine regulated by preferably intervening in the storage fluid mass flow. This requires suitable means for determining the useful power, preferably as the power of a generator driven by the expansion engine. A power controller, which intervenes as a manipulated variable on a storage fluid mass flow control element, is preferably connected to the power determined in this way as a controlled variable.
In einer weiteren Betriebsweise wird auf geeignete Weise direkt oder indirekt die Speicherfluidtemperatur am Eintritt in die Expansionsmaschine ermittelt, und durch Eingriffe auf ein Brennstoffmassenstrom-Stellorgan der atmosphärischen Brennkammer geregelt.In a further mode of operation, the storage fluid temperature at the inlet to the expansion machine is determined in a suitable manner, either directly or indirectly, and is regulated by interventions in a fuel mass flow control element of the atmospheric combustion chamber.
In einer weiteren vorteilhaften Betriebsweise wird die Temperatur eines im Rauchgaspfad stromab der atmosphärischen Brennkammer angeordneten Rauchgasreinigungskatalysators, und/oder die Temperatur des diesem zuströmenden Rauchgases gemessen und geregelt, wobei unter einer Regelung selbstverständlich eine Sollwertregelung wie auch eine
Grenzwertregelung zu verstehen sein kann. Auch kann ein stetiger Regler ebenso wie ein unstetiger Regler, beispielsweise ein Zweipunktregler, Verwendung finden. Eine solche Regelung stellt sicher, dass der Katalysator nicht aufgrund von Überhitzung nachhaltig beschädigt wird. Weiterhin kann die Temperatur in ein der katalytischen Rauchgasreinigung förderliches Temperaturfenster eingeregelt werden.In a further advantageous mode of operation, the temperature of a flue gas cleaning catalytic converter arranged in the flue gas path downstream of the atmospheric combustion chamber, and / or the temperature of the flue gas flowing into it, is measured and regulated Limit control can be understood. A continuous controller as well as a discontinuous controller, for example a two-point controller, can also be used. Such a regulation ensures that the catalytic converter is not permanently damaged due to overheating. Furthermore, the temperature can be regulated in a temperature window that is conducive to catalytic flue gas cleaning.
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Temperatur des Rauchgases stromab des primärseitigen Strömungsweges des Wärmeübertragungsapparates oder an dessen Austritt bestimmt, und auf einen Sollwert oder auf die Einhaltung eines zulässigen Minimalwertes geregelt. Damit kann einerseits sichergestellt werden, dass eine Unterschreitung des Taupunktes korrosiver Rauchgaskomponenten vermieden wird. In dieser Hinsicht kann die untere Grenztemperatur auch brennstoffabhängig variieren, und beispielsweise bei Olfeuerung höher liegen als bei Erdgasfeuerung. In einer Betriebsweise kann die Rauchgastemperatur auf einen möglichst geringen Wert oberhalb dieses Taupunktes eingeregelt werden, wodurch die Abgaswärmeverluste minimiert und damit die Brennstoffausnutzung verbessert werden.In yet another advantageous embodiment, the temperature of the flue gas is determined downstream of the primary-side flow path of the heat transfer apparatus or at its outlet, and is regulated to a setpoint value or to the compliance with an allowable minimum value. On the one hand, this can ensure that the dew point of corrosive flue gas components is not undershot. In this regard, the lower limit temperature can also vary depending on the fuel, and may be higher, for example, with oil firing than with natural gas firing. In one mode of operation, the flue gas temperature can be regulated to the lowest possible value above this dew point, as a result of which the exhaust gas heat losses are minimized and the fuel utilization is thus improved.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Kraftwerksanlage und vorteilhafte Betriebsweisen erschliessen sich aus den Unteransprüchen und im Lichte der Ausführungsbeispiele.Further advantageous embodiments of the power plant according to the invention and advantageous modes of operation are evident from the subclaims and in the light of the exemplary embodiments.
Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen: Figur 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung; Figur 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Für das Verständnis der Erfindung nicht unmittelbar notwendige Elemente sind weggelassen. Die Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen, und sollen nicht zu einer Einschränkung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung herangezogen werden.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments illustrated in the drawing. In detail: FIG. 1 shows a first preferred embodiment of the invention; Figure 2 shows another preferred embodiment of the invention. Elements which are not immediately necessary for understanding the invention are omitted. The exemplary embodiments are to be understood purely as instructions and should not be used to restrict the invention characterized in the claims.
Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention
Die in Figur 1 dargestellte Kraftwerksanlage umfasst grundlegenderweise ein Speichervolumen 1 zur Speicherung eines komprimierten Gases, insbesondere Luft, und eine Turbine 2 zur arbeitsleistenden Entspannung des Speicherfluides, wobei ein Generator 3 angetrieben wird, welcher eine Nutzleistung PAct erzeugt. Das entspannte Speicherfluid wird durch einenThe power plant system shown in FIG. 1 basically comprises a storage volume 1 for storing a compressed gas, in particular air, and a turbine 2 for relieving pressure on the storage fluid, a generator 3 being driven which generates a useful power PAct. The relaxed storage fluid is through a
Abluftkamin 4 in die Atmosphäre entlassen. Zur Aufladung des Speichers 1 ist eine Verdichtereinheit 5 angeordnet, deren konkrete Ausgestaltung nicht erfindungserheblich ist; beispielhaft sind ein Turboverdichter 6 mit einem Antriebsmotor 7 und einem Kühler 8 dargestellt. In Zeiten geringer Elektrizitätsnachfrage und entsprechend geringen Strompreises wird dieExhaust chimney 4 released into the atmosphere. To charge the accumulator 1, a compressor unit 5 is arranged, the specific configuration of which is not relevant to the invention; a turbocompressor 6 with a drive motor 7 and a cooler 8 are shown by way of example. In times of low electricity demand and correspondingly low electricity prices, the
Verdichtereinheit betrieben, um den Speicher 1 mit Druckluft aufzuladen. Wie einleitend erwähnt und leicht nachzuvollziehen, ist das spezifische Enthalpiegefälle über die Turbine sehr klein, wenn aus dem Speicher Luft bei annähernd Umgebungstemperatur der Turbine 2 zuströmt und entspannt wird. Das heisst, zur Erzeugung einer bestimmten elektrischen Energie wird sehr viel Speicherfluid benötigt, mit anderen Worten, die bei vorgegebenem Speicherdruck mit einem gespeicherten Volumen erzeugbare elektrische Leistung ist hierdurch begrenzt. Erfindungsgemäss sind daher ein Wärmeübertragungsapparat 9 und eine Brennkammer 11 angeordnet. Die Brennkammer 1 1 ist stromab der Turbine 2 angeordnet. Abgesehen vom dynamischen Druck des strömenden Fluides und Druckverlusten im weiteren Strömungsweg entspricht der Druck des Speicherfluides in der Brennkammer
11 dem Umgebungsdruck. Es ist daher gerechtfertigt, von einer atmosphärischen Brennkammer zu sprechen. Der Wärmeübertragungsapparat 9 ist derart angeordnet, dass der primärseitige Strömungspfad, der von einem wärmeabgebenden Fluid durchströmt wird, im Strömungsweg des entspannten Speicherfluides stromab der atmosphärischen Brennkammer 11 angeordnet ist. Der sekundärseitige Strömungspfad, der von dem wärmeaufnehmenden Fluid durchströmt wird, ist im Strömungsweg des Speicherfluides zwischen dem Speicher 1 und der Turbine 2 angeordnet. Mit anderen Worten werden die Primärseite des Wärmeübertragungsapparates 9 und die Sekundärseite des Wärmeübertragungsapparates 9 vom selben Fluidstrom durchströmt. Dem entspannten Arbeitsfluid wird in der atmosphärischen Brennkammer 11 Brennstoff zugeführt und dieser verbrannt. Das entstehende heisse Rauchgas wird dem Wärmeübertragungsapparat 9 zugeleitet, und beim Durchströmen im Wärmetausch mit dem aus dem Speichervolumen 1 zur Turbine 2 strömenden Speicherfluid abgekühlt. Gleichzeitig wird das sekundärseitig vom Speicher zur Turbine strömende Fluid im Wärmetausch erwärmt. Die Fluidströme auf der Primärseite und der Sekundärseite strömen im Interesse bester Wärmetauscherwirkung im Gegenstrom. Aufgrund der Erwärmung des Speicherfluides vor dem Eintritt in die Entspannungs-Kraftmaschine 2 steht ein grösseres massenspezifisches Enthalpiegefälle zur Verfügung.Compressor unit operated to charge the memory 1 with compressed air. As mentioned in the introduction and easy to understand, the specific enthalpy gradient across the turbine is very small when air flows in and is released from the accumulator at approximately ambient temperature of the turbine 2. This means that a lot of storage fluid is required to generate a certain electrical energy, in other words, the electrical power that can be generated with a stored volume at a given storage pressure is thereby limited. According to the invention, a heat transfer device 9 and a combustion chamber 11 are therefore arranged. The combustion chamber 11 is arranged downstream of the turbine 2. Apart from the dynamic pressure of the flowing fluid and pressure losses in the further flow path, the pressure of the storage fluid in the combustion chamber corresponds 11 the ambient pressure. It is therefore justified to speak of an atmospheric combustion chamber. The heat transfer device 9 is arranged such that the primary-side flow path, through which a heat-emitting fluid flows, is arranged in the flow path of the relaxed storage fluid downstream of the atmospheric combustion chamber 11. The flow path on the secondary side, through which the heat-absorbing fluid flows, is arranged in the flow path of the storage fluid between the storage 1 and the turbine 2. In other words, the same fluid flow flows through the primary side of the heat transfer device 9 and the secondary side of the heat transfer device 9. The relaxed working fluid is supplied with fuel in the atmospheric combustion chamber 11 and burned. The resulting hot flue gas is fed to the heat transfer device 9 and cooled when flowing through the heat exchange with the storage fluid flowing from the storage volume 1 to the turbine 2. At the same time, the fluid flowing on the secondary side from the accumulator to the turbine is heated in the heat exchange. The fluid flows on the primary side and the secondary side flow in counterflow in the interest of the best heat exchanger effect. Due to the heating of the storage fluid before entering the expansion engine 2, a larger mass-specific enthalpy gradient is available.
Dementsprechend ist bei einem bestimmten Druckverhältnis ein geringerer Massenstrom zur Erzeugung einer bestimmten Nutzleistung erforderlich, und mit dem in einem vorgegebenen Speichervolumen gespeicherten Speicherfluid kann mehr elektrische Energie erzeugt werden. Hinsichtlich der Leistungsausbeute ist es selbstverständlich umso günstiger, je höher die Temperatur des Speicherfluides am Eintritt in die Speicherfluid- Entspannungsmaschine 2 ist. Andererseits werden durch die verwendeten Werkstoffe und andere Randbedingungen Grenzen für eine maximal zulässige Temperatur gesetzt. Es ist daher höchst von Vorteil, durch geeignete Mittel die Temperatur am Eintritt der Entspannungsmaschine 2 zu bestimmen und auf einen Maximalwert zu begrenzen, oder auf einen möglichst nahe an diesem
Maximalwert liegenden Sollwert einzuregeln. Eine mögliche Realisierung dieser Regelung wird unten näher dargelegt.Accordingly, at a certain pressure ratio, a lower mass flow is required to generate a certain useful power, and more electrical energy can be generated with the storage fluid stored in a given storage volume. With regard to the power yield, it is of course the more favorable the higher the temperature of the storage fluid at the inlet into the storage fluid expansion machine 2. On the other hand, the materials used and other boundary conditions set limits for a maximum permissible temperature. It is therefore extremely advantageous to use suitable means to determine the temperature at the inlet of the relaxation machine 2 and to limit it to a maximum value or to as close as possible to it Set maximum value lying setpoint. A possible implementation of this regulation is explained in more detail below.
Die Erfindung ermöglicht es also, das Speicherfluid vor dem Eintritt in die Entspannungskraftmaschine aufzuheizen, ohne dass die Kraftmaschine mit einer Rauchgasströmung beaufschlagt würde; die Kraftmaschine wird weiterhin nur von Speicherfluid, insbesondere Luft, durchströmt. Die Bauteile der Expansionsmaschine werden in der dargestellten Ausführungsform nicht mit aggressiven Rauchgaskomponenten beaufschlagt, wodurch sich die Expansionsmaschine einfacher und billiger realisieren lässt. Gleichwohl ist im Wesentlichen nur ein einziger Medienstrom und nur ein Kamin erforderlich, weil das Speicherfluid gleichzeitig zum Verbrennen des Brennstoffs verwendet wird. Weiterhin müssen keine spezifischen Vorrichtungen zum Aufbereiten und Fördern von Verbrennungsluft einer externen Feuerung vorgesehen werden. Durch die Verbrennung eines Brennstoffs werden Schadstoffkomponenten wie Stickoxide gebildet. Obschon sich die Schadstoffwerte durch geeignete Massnahmen bei der Verbrennung stark vermindern lassen, erfordern strengste Emissionsvorschriften den Einsatz vonThe invention thus makes it possible to heat the storage fluid before entering the expansion engine without the engine being subjected to a flue gas flow; only fluid, in particular air, flows through the engine. In the embodiment shown, the components of the expansion machine are not subjected to aggressive flue gas components, as a result of which the expansion machine can be implemented more easily and more cheaply. Nevertheless, essentially only a single media stream and only one chimney are required because the storage fluid is used to burn the fuel at the same time. Furthermore, no specific devices for treating and conveying combustion air from an external furnace have to be provided. The combustion of a fuel creates pollutant components such as nitrogen oxides. Although the pollutant values can be greatly reduced by suitable measures during combustion, the strictest emission regulations require the use of
Abgasaufbereitungsmassnahmen. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Rauchgasreinigungskatalysator 10 im Rauchgasströmungsweg stromab der atmosphärischen Brennkammer angeordnet. Bei Verwendung einesExhaust gas treatment measures. In the illustrated embodiment, a flue gas purification catalyst 10 is disposed in the flue gas flow path downstream of the atmospheric combustion chamber. When using a
Rauchgasreinigungskatalysators ist dessen Betriebstemperaturfenster zu beachten. Eine zu hohe Katalysatortemperatur führt zu einer irreversiblen Schädigung des Katalysators. Bei einer zu niedrigen Temperatur wird keine katalytische Wirkung mehr erzielt. Die Temperatur des Rauchgases am Austritt aus der atmosphärischen Brennkammer ist im allgemeinen zu hoch für den Katalysator. Für eine beste Wärmeausnutzung wird das Rauchgas im Wärmeübertragungsapparat 9 auf eine Temperatur abgekühlt, welche für die katalytische Abgasreinigung zu niedrig ist. Der Katalysator ist daher innerhalb des Wärmeübertragungsapparates angeordnet, im primärseitigen Strömungsweg, stromab eines ersten Teils des Strömungsweges und stromauf eines zweiten Teils des Strömungsweges innerhalb des Wärmeübertragungsapparates. Auf diese Weise wird das Temperaturgefälle
über den Wärmeübertragungsapparat vorteilhaft auf eine Weise aufgeteilt, dass im Normalbetrieb ein günstiger Temperaturbereich für den Katalysator angetroffen wird. Dieser Effekt kann gleichwertig auch mit einer Zweiteilung des Wärmeübertragungsapparates erreicht werden, wobei der Katalysator zwischengeschaltet ist.Flue gas cleaning catalytic converter, its operating temperature window must be observed. Too high a catalyst temperature leads to irreversible damage to the catalyst. If the temperature is too low, no catalytic effect is achieved. The temperature of the flue gas at the exit from the atmospheric combustion chamber is generally too high for the catalytic converter. For best heat utilization, the flue gas is cooled in the heat transfer device 9 to a temperature which is too low for the catalytic exhaust gas purification. The catalytic converter is therefore arranged within the heat transfer device, in the primary-side flow path, downstream of a first part of the flow path and upstream of a second part of the flow path within the heat transfer device. In this way the temperature gradient advantageously divided over the heat transfer apparatus in such a way that a favorable temperature range for the catalyst is encountered in normal operation. This effect can also be achieved in an equivalent manner by dividing the heat transfer apparatus in two, the catalyst being interposed.
Bei der dargestellten Ausführungsform dient ein Speicherfluidmassenstrom- Stellorgan 14 als Stellglied für eine Nutzleistungsregelung. Die Nutzleistung wird als Generatorleistung PAct bestimmt. Diese wird auf nicht dargestellte, dem Fachmann aber ohne Weiteres geläufige Weise mit einem Sollwert verglichen. Wenn die Leistung als Regelgrösse sinkt, wird das Stellorgan 14 weiter geöffnet und der Speicherfluid-Massenstrom steigt. Wenn die Leistung als Regelgrösse steigt, wird das Stellorgan 14 stärker angedrosselt und der Speicherfluid-Massenstrom sinkt. Als weitere Stellgrösse des Prozesses steht der der atmosphärischen Brennkammer 1 1 zugeführte Brennstoffmassenstrom zur Verfügung, welcher über das Brennstoffmassenstrom-Stellorgan 13 gesteuert wird. Für den Betrieb der dargestellten Kraftwerksanlage sind im wesentlichen drei Temperaturen relevant. Dies ist einerseits die Temperatur des Speicherfluides am Austritt aus dem sekundärseitigen Strömungsweg des Wärmeübertragungsapparates oder die Temperatur des Speicherfluides am Eintritt in die Turbine 2, die Abgastemperatur des Fluides am Austritt aus dem primärseitigen Strömungsweg des Wärmeübertragungsapparates, sowie die Katalysatortemperatur oder auch die Temperatur des Rauchgases unmittelbar stromauf des Katalysators. Gemäss einem Aspekt der Erfindung weist die Kraftwerksanlage Mittel zur Bestimmung einer dieser Temperaturen auf, welche als Regelgrösse für einen Regelkreis herangezogen wird, während die Stellung des Brennstoffmassenstrom-Stellorgans 13 als Stellgrösse für diesen Regelkreis herangezogen wird. Es stellt sich nunmehr als eine Prozessoptimierungsfrage dar, welche der drei Temperaturen auf einen Sollwert geregelt wird. Wird die Temperatur am Turbineneintritt auf einen möglichst hohen Sollwert geregelt, so resultiert eine Betriebsweise mit bester Speicherfluidausnutzung. Wird die Temperatur des Rauchgases stromab des
Wärmeübertragungsapparates auf einen Sollwert geregelt, so können die Abgaswärmeverluste minimiert werden, und es resultiert ein wirkungsgradoptimierter Betrieb. In der dargestellten Ausführungsform wird mittels einer Messstelle 15 die Temperatur des Katalysators gemessen und auf einen Sollwert geregelt. Übersteigt die gemessene Temperatur den Sollwert oder die obere Grenze eines Sollwertintervalls, wird das Stellorgan 13 ein Stück geschlossen. Unterschreitet die gemessene Temperatur den Sollwert oder die untere Grenze eines Sollwertintervalls, wird das Stellorgan 13 ein Stück weiter geöffnet. Dies resultiert in einer bestmöglichen Rauchgasreinigungswirkung des Katalysators. Die primärseitig und sekundärseitig strömenden Massenströme im Wärmeübertragungsapparat sind zwangsläufig stets bis auf den Brennstoffmassenstrom identisch. Bei gegebener Dimensionierung des Wärmeübertragungsapparates sind alle drei Temperaturen daher eng miteinander verknüpft. Das heisst, wenn eine der drei Temperaturen auf einen Sollwert eingeregelt wird, bewegen sich dieIn the embodiment shown, a storage fluid mass flow control element 14 serves as an actuator for useful power control. The useful power is determined as the generator power PAct. This is compared with a desired value in a manner which is not shown but is readily familiar to the person skilled in the art. If the output decreases as a controlled variable, the actuator 14 is opened further and the storage fluid mass flow increases. If the power increases as a controlled variable, the actuator 14 is throttled more and the storage fluid mass flow decreases. The fuel mass flow supplied to the atmospheric combustion chamber 11, which is controlled via the fuel mass flow control element 13, is available as a further manipulated variable of the process. Three temperatures are relevant for the operation of the power plant shown. On the one hand, this is the temperature of the storage fluid at the outlet from the secondary-side flow path of the heat transfer apparatus or the temperature of the storage fluid at the inlet into the turbine 2, the exhaust gas temperature of the fluid at the outlet from the primary-side flow path of the heat transfer apparatus, as well as the catalyst temperature or the temperature of the flue gas directly upstream of the catalyst. According to one aspect of the invention, the power plant has means for determining one of these temperatures, which is used as a control variable for a control loop, while the position of the fuel mass flow control element 13 is used as a control variable for this control loop. It is now a question of process optimization, which of the three temperatures is regulated to a setpoint. If the temperature at the turbine inlet is regulated to the highest possible setpoint, this results in an operating mode with the best storage fluid utilization. Is the temperature of the flue gas downstream of the Heat transfer apparatus regulated to a setpoint, so the exhaust gas heat losses can be minimized, and the result is an efficiency-optimized operation. In the embodiment shown, the temperature of the catalyst is measured by means of a measuring point 15 and regulated to a desired value. If the measured temperature exceeds the setpoint or the upper limit of a setpoint interval, the actuator 13 is closed a bit. If the measured temperature falls below the setpoint or the lower limit of a setpoint interval, the actuator 13 is opened a little further. This results in the best possible flue gas cleaning effect of the catalytic converter. The mass flows flowing in the heat transfer apparatus on the primary and secondary sides are always identical except for the fuel mass flow. Given the dimensions of the heat transfer device, all three temperatures are therefore closely linked. This means that if one of the three temperatures is adjusted to a setpoint, they move
Schwankungen der anderen beiden Temperaturen in vergleichsweise engen Grenzen. Mit anderen Worten, werden indirekt auch die anderen Temperaturen geregelt. Es ist gleichwohl vorteilhaft, auf nicht dargestellte, dem Fachmann aber geläufige Weise auch die jeweils nicht unmittelbar geregelten Temperaturen zu überwachen und in einer Sicherheitsschaltung der Kraftwerksanlage auszuwerten, damit es bei der dargestellten Ausführungsform nicht zu einer Taupunktsunterschreitung des Rauchgases kommt, und eine thermische Überlastung der Expansionsmaschine vermieden wird.Fluctuations in the other two temperatures within comparatively narrow limits. In other words, the other temperatures are also controlled indirectly. It is nevertheless advantageous, in a manner not shown, but familiar to the person skilled in the art, to also monitor the temperatures which are not directly regulated in each case and to evaluate them in a safety circuit of the power plant, so that the flue gas does not fall below the dew point in the embodiment shown, and the thermal overload of the Expansion machine is avoided.
Prinzipiell ist es auch möglich, stromab des sekundärseitigen Strömungsweg des Wärmeübertragungsapparates 9 und stromauf der Turbine 2 eine weitere Brennkammer anzuordnen; die Anordnung einer indirekten Feuerung ist an dieser Stelle bei erfindungsgemässer Ausführung der Kraftwerksanlage nicht sinnvoll, obschon prinzipiell möglich. Diese Anordnung einer Brennkammer stromauf der Turbine 2 erfordert aber spezielle Massnahmen, damit es nicht zur Beschädigung der mit heissen Rauchgasen beaufschlagten Turbine
kommt. Insbesondere lässt sich in diesem Falle die Expansionsturbine einer Gasturbogruppe verwenden, welche mit Vorteil mitsamt ihrer Brennkammer verwendet wird. Aufgrund der Einfachheit wird aber gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung die in der Figur 1 dargestellte Ausführungsform als vorteilhaft erachtet, bei welcher der Strömungsweg von der Sekundärseite des Wärmeübertragungsapparates 9 zur Expansionsmaschine im Wesentlichen unmittelbar, ohne zwischengeschaltete Apparate, realisiert ist.In principle, it is also possible to arrange a further combustion chamber downstream of the flow path of the heat transfer apparatus 9 on the secondary side and upstream of the turbine 2; the arrangement of an indirect firing is not sensible at this point when the power plant is designed according to the invention, although in principle it is possible. However, this arrangement of a combustion chamber upstream of the turbine 2 requires special measures so that it does not damage the turbine which is exposed to hot flue gases comes. In particular, the expansion turbine of a gas turbine group can be used in this case, which is advantageously used together with its combustion chamber. Because of the simplicity, however, according to a first aspect of the invention, the embodiment shown in FIG. 1 is considered advantageous, in which the flow path from the secondary side of the heat transfer device 9 to the expansion machine is realized essentially directly, without any intermediate devices.
Die Anordnung einer Brennkammer stromauf der Expansionsmaschine wird vorteilhaft in der in Figur 2 dargestellten Weise realisiert. Dabei wird dieThe arrangement of a combustion chamber upstream of the expansion machine is advantageously implemented in the manner shown in FIG. 2. The
Tatsache genutzt, dass ein Betriebstemperaturfenster eines Katalysators von beispielhaft rund 300°C bis 350°C, wobei diese Temperaturen katalysatorspezifisch auf deutlich darüber liegen können, durchaus mit der Verdichterendtemperatur einer Gasturbogruppe mit einem Druckverhältnis zwischen 10 und 15 vergleichbar ist. Bei der in Figur 2 dargestellten Kraftwerksanlage ist der Katalysator 10 am stromaufwärtigen Ende des primärseitigen Strömungsweges des Wärmeübertragungsapparates 9 angeordnet. Im weiteren umfasst die Kraftwerksanlage eine Brennkammer- Turbinen-Einheit 16, umfassend die Brennkammer 161 und die Turbine 162 einer Gasturbogruppe, bei welcher der Verdichter weggelassen wurde. Auf nicht dargestellte Weise wird stromauf der Hochdruckbrennkammer 161 ein Teil des Speicherfluides in das Kühlluftsystem der Gasturbogruppe abgeleitet. Auch dabei ist es höchst vorteilhaft, dass dieses Speicherfluid eine Temperatur aufweist, welche der an einem Verdichteraustritt einer Gasturbogruppe abgezweigten Kühlluft wenigstens näherungsweise vergleichbar ist. Das verdichterseitige Wellenende treibt unmittelbar den Generator 3 an. Die Leistungsregelung der Generatorleistung PAct erfolgt mit der Stellung des Speicherfluidmassenstrom-Stellorgans 14 als Stellgrösse. Die Temperatur des Katalysators wird vorteilhaft mit der Stellung des Brennstoffmassenstrom- Stellorgans 13 der atmosphärischen Brennkammer als Stellgrösse geregelt. Die Temperatur am Eintritt der Turbine 162 wird in der vorliegenden Ausführungsform nicht unmittelbar gemessen, sondern auf an sich bekannte
Weise aus anderen Grossen, beispielsweise der Turbinenaustrittstemperatur und dem Turbinen-Druckverhältnis berechnet. Die so ermittelte Temperatur wird mittels Eingriffen auf das Brennstoffmassenstrom-Stellorgan 17 der Brennkammer 161 geregelt. Auf diese Weise lässt sich ebenfalls unter weitgehender Verwendung standardisierter Komponenten, nämlich der vollständigen Brennkammer-Turbinen-Einheit 16, eine erfindungsgemässe Kraftwerksanlage aufbauen.Utilized the fact that an operating temperature window of a catalytic converter of, for example, around 300 ° C to 350 ° C, whereby these temperatures can be significantly higher, depending on the catalytic converter, is quite comparable with the compressor end temperature of a gas turbine group with a pressure ratio between 10 and 15. In the power plant shown in FIG. 2, the catalytic converter 10 is arranged at the upstream end of the primary-side flow path of the heat transfer device 9. Furthermore, the power plant comprises a combustion chamber-turbine unit 16, comprising the combustion chamber 161 and the turbine 162 of a gas turbine group, in which the compressor has been omitted. In a manner not shown, upstream of the high-pressure combustion chamber 161, a portion of the storage fluid is discharged into the cooling air system of the gas turbine group. It is also highly advantageous that this storage fluid has a temperature which is at least approximately comparable to the cooling air branched off at a compressor outlet of a gas turbine group. The compressor-side shaft end drives the generator 3 directly. The power control of the generator power PAct takes place with the position of the storage fluid mass flow control element 14 as the control variable. The temperature of the catalyst is advantageously controlled with the position of the fuel mass flow control element 13 of the atmospheric combustion chamber as a control variable. In the present embodiment, the temperature at the inlet of the turbine 162 is not measured directly, but rather in a manner known per se Calculated from other variables, for example the turbine outlet temperature and the turbine pressure ratio. The temperature determined in this way is controlled by intervening in the fuel mass flow control element 17 of the combustion chamber 161. In this way, a power plant system according to the invention can also be constructed using largely standardized components, namely the complete combustion chamber-turbine unit 16.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Speichervolumen, Druckluftspeicher1 storage volume, compressed air storage
2 Expansions-Kraftmaschine, Expansionsturbine2 expansion engine, expansion turbine
3 Generator3 generator
4 Kamin, Abluftkamin4 chimney, exhaust chimney
5 Verdichtereinheit5 compressor unit
6 Verdichter6 compressors
7 Antriebsmotor7 drive motor
8 Kühler8 coolers
9 Wärmeübertragungsapparat9 heat transfer apparatus
10 Rauchgasreinigungskatalysator10 flue gas cleaning catalytic converter
11 atmosphärische Brennkammer11 atmospheric combustion chamber
13 Brenstoffmassenstrom-Stellorgan13 fuel mass flow control element
14 Speicherfluidmassenstrom-Stellorgan14 storage fluid mass flow actuator
15 Temperaturmessstelle15 temperature measuring point
16 Brennkammer-Turbineneinheit16 combustion chamber turbine unit
17 Brennstoffmassenstrom-Stellorgan17 Fuel mass flow control element
161 Brennkammer, Hochdruckbrennkammer161 combustion chamber, high pressure combustion chamber
162 Turbine162 turbine
PAct Nutzleistung
PAct net power