WO2016062425A1 - Thermischer pufferspeicher zur beschleunigung des hoch- bzw. anfahrvorgangs in kraftwerken mit abhitzedampferzeuger - Google Patents

Thermischer pufferspeicher zur beschleunigung des hoch- bzw. anfahrvorgangs in kraftwerken mit abhitzedampferzeuger Download PDF

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turbine
heat
steam generator
buffer memory
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Michael ANGERER
Hartmut Spliethoff
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Technische Universitaet Muenchen
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    • 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 thermal storage tanks for accelerating the start-up operation in power plants with a heat recovery steam generator.
  • the present invention relates to thennischen buffer memory for accelerating the start-up or start-up of a gas turbine installed in a gas and steam power plant.
  • CCGTs BACKGROUND Combined combined cycle power plants
  • RE renewable energy
  • future energy systems which are dominated by the fluctuating feed-in of renewable energies, above all the start-up time, ie the time that elapses to bring a power plant from standstill to rated power, is a decisive parameter for the use of power plants. If a power plant is able to drive within less than 15 minutes (min), it can sell minute reserves on the market. According to the current state of the art, only pumped storage power plants and pure gas turbine power plants are able to provide minute reserve from standstill.
  • bypass chimney in a combined cycle power plant. This has great potential in terms of dynamic improvement when starting up or starting the gas turbine, but suffers from a considerable loss of heat, which has a negative effect on the efficiency. Furthermore, by using a bypass chimney, a dynamic improvement during shutdown of the gas turbine is not possible.
  • Another disadvantage of using a bypass chimney is that a fork must be provided in the flue gas path between the gas turbine and the heat recovery steam generator. However, this part of the flue gas path is generally considered to be particularly sensitive to fluid mechanics, since a uniform flow of the heat recovery steam generator must be ensured.
  • the present invention is based on the object to make the short start-up times of gas turbines also usable in combined cycle operation, without suffering too great losses in efficiency.
  • the solution to this problem is based on the serial integration of a thermal buffer between the turbine and the heat recovery steam generator, which allows a gradual thermal decoupling of the turbine and the heat recovery steam generator during the critical phases.
  • strong gradients of the exhaust gas temperature, as they occur, for example, during rapid startup or shutdown of the turbine are mitigated before entering the heat recovery steam generator.
  • the gas turbine part of a combined cycle power plant can thus be operated much more dynamically, without causing increased damage due to thermal stresses in the waste heat boiler.
  • the solution according to the invention comprises a method and two power plants.
  • the method according to the invention for limiting the change in a heat flow induced by a matter flow from a turbine to a heat recovery steam generator in a power plant in which the material flow from the turbine through a thermal buffer to the heat recovery steam generator is characterized in that the guiding of the material flow through the thermal buffer takes place during a start-up and / or a down or down operation of the turbine.
  • Startup and startup processes are to be understood in particular as operating state changes in which the energy output of the power plant increases, while downshooting and downturn processes are to be understood in particular as operating state changes in which the energy output of the power plant is reduced.
  • a load change during operation of the power plant and as a start-up operation should be understood as a hot or cold start.
  • a shutdown is to be understood in particular as transferring the power plant in an operating mode, at the end of the power plant in a stable operating condition with low energy output, usually by 25% of the rated power remains.
  • a shutdown process is a process in which the energy output of the power plant is reduced to zero and depending on the Downtime a warm start state or after progressive cooling followed by a cold start state.
  • the inventive method limits the temporal change of the heat transfer to the heat recovery steam generator by the material flow is passed through the thermal buffer to the heat recovery steam generator.
  • the thermal buffer memory which has a lower temperature during the startup or startup than the matter flow and during the down and / or down process, a higher temperature than the matter flow, cools the material flow or heats up as a result the different temperatures heat is discharged from the material flow to the thermal buffer memory or is absorbed by the thermal buffer memory.
  • the series-connected thermal buffer thus limits the change in the heat energy transport to the heat recovery steam generator only during the startup and startup and the down or down process and is thermally neutral in the subsequent normalization or startup operation normal operation.
  • the flow of matter is continuously passed through the thermal buffer for at least 25%, preferably at least 50% and most preferably 100% of the duration of the start-up or start-up of the turbine, and the start or stop process is completed when the turbine has reached a predetermined power level in which the turbine remains for at least 10 minutes, preferably for at least 30 minutes and more preferably for at least 60 minutes.
  • the guiding of the material flow through the thermal buffer memory can also be controlled by a control, for. B.
  • the matter flow is passed through the buffer memory only to the extent that a temperature gradient measured at the heat recovery steam generator does not exceed a predetermined value, which thermally based on the design of the heat recovery steam generator and the heat recovery steam generator coupled components is determined so that the heat recovery steam generator when heated with a temperature gradient, which is below the predetermined value, long-term damage.
  • the start-up or start-up can also take place in steps, so that the acceleration or approach speed of the turbine is reduced, for example, when a temperature gradient measured at the heat recovery steam generator approaches the predetermined value.
  • thermal buffer for example by the buffer is just designed so that measured at the heat recovery steam generator temperature gradient even with continuous continuous guiding the Matter currents through the buffer memory and maximum acceleration or approach speed of the turbine does not exceed a predetermined limit.
  • the predetermined power level is not less than 25% of the rated power, preferably not less than 50% of the rated power, more preferably not less than 75% of the rated power and the starting or starting operation of the turbine lasts no longer than 30 minutes, preferably not longer than 15 minutes.
  • the thermal buffer memory is dimensioned such that it allows the turbine to be raised or raised to a certain power level within 15 minutes, the energy generated at this power level can be used as a minute reserve. Since the efficiency of gas turbines generally increases as they approach their rated power, it is therefore particularly advantageous if the gas turbine achieves the highest possible power level within 15 minutes in order to be able to generate the minute reserve with the highest possible efficiency.
  • the thermal capacity of the thermal buffer is tuned to the turbine so that the increase in the heat flow at the exit of the thermal buffer against the increase at the outlet of the turbine is delayed such that the heat flow at the exit of the thermal buffer at the end of the start-up or the Turbine more than 20%, preferably more than 40% and particularly preferably more than 60%, but not more than 90%, preferably not more than 80% "and more preferably not more than 70% of the value reached at the outlet of the turbine.
  • thermal buffer has enough capacity to absorb thermal energy until the end of the startup or startup process. At the same time, it is not dimensioned so large that it delays the generation of energy by the steam part too long.
  • the heat capacity of the thermal buffer is tuned to the turbine such that the magnitude of the gradient of the heat flow at the outlet of the thermal buffer is attenuated such that the magnitude of the gradient of the heat flow at the exit of the thermal buffer during the start-up or during the Down or down on average less than 5% / min, preferably less than 2% / min and more preferably less than 1% / min, wherein the percentages refer to the heat flow at rated power.
  • the heat capacity of the thermal buffer is equal to ⁇ ⁇ thermal power rating of the heat recovery steam generator wherein ⁇ is greater than lxl0 A -3 and preferably greater than lxlO A -2 and smaller than 0 ll ⁇ 3 and preferably less than lxlO A2.
  • the method is applied to a combined cycle power plant, whose matter flow is flue gas.
  • the power plant has conduits which carry the flow of material from the turbine to the thermal buffer and from the thermal buffer to the heat recovery steam generator, the conduits having no branches and / or controllably closable flaps.
  • branches and closable closable flaps would allow the regulation of the guided through the thermal buffer material flow, but also mean additional effort in the form of the control technology, which can be avoided with appropriate design of the thermal buffer.
  • the method may comprise the further steps of determining that the thermal buffer has reached a predetermined temperature and passing the stream of matter through a bypass line arranged parallel to the thermal buffer, wherein a pressure loss through the bypass is less than a pressure drop through the thermal buffer memory.
  • the thermal buffer If the thermal buffer has reached its operating temperature, it can not absorb any further heat energy. In this case, the dynamic pressure associated with the flow through the heat buffer, which reduces the pressure available at the turbine, can be avoided or at least reduced by guiding the material flow through a bypass line having a smaller pressure loss.
  • the predetermined temperature is an operating temperature of the thermal buffer at rated power of the power plant and the pressure loss through the bypass is less than 75%, and more preferably less than 50% of the pressure loss through the thermal buffer.
  • the method comprises the further steps of shutting down the turbine and supplying heat energy from the thermal storage tank to the heat recovery steam generator, preferably by passing ambient air from the turbine or from an additional fan parallel to the turbine through the thermal storage tank to the waste heat steam generator.
  • shutting down the turbine can be emptied by removing heat energy from the thermal buffer this before the next startup.
  • the steam part can be kept warm, so that the thermal stresses which arise during the subsequent startup can be reduced.
  • the power plant preferably comprises a pipe circuit filled with a fluid, which is coupled to the thermal buffer store via a first heat exchanger and is coupled to the heat recovery steam generator via a second heat exchanger.
  • the first power plant according to the invention comprises a turbine, a thermal buffer store and a heat recovery steam generator.
  • heat energy is conducted by means of a matter flow from the turbine through the thermal buffer storage to the waste heat steam generator.
  • the first power plant according to the invention is characterized in that the heat capacity of the thermal buffer is equal to ot - thermal power rating of the heat recovery steam generator ⁇ f: wherein ⁇ is greater than 1 ⁇ 10 ⁇ -3 and preferably greater than 1 ⁇ 10 ⁇ -2 and less than lxl 0 A 3 and is preferably less than lxl 0 A 2.
  • the heat output from the turbine to the heat recovery steam generator essentially corresponds to the thermal nominal power of the steam part divided by the efficiency.
  • the thermal buffer must be designed so that it can absorb a significant amount of heat energy to reduce the temperature rise in the heat recovery steam generator to a harmless level.
  • a too large thermal buffer would greatly slow down the heating of the heat recovery steam generator, thereby unnecessarily delaying the generation of energy by the steam part of the power plant.
  • a thermal buffer memory which has a capacity that allows the heating of the heat recovery steam generator to brake so that no damage to the heat recovery steam generator or thermally connected to the heat recovery steam generator components and it also allows the power plant as fast as possible with rated power is operated.
  • thermal buffer capacity As the capacity of such a thermal buffer Depending on the structural conditions of the power plant, only one area can be defined for this purpose and it is in the nature of things that this area must be rather large in order to take account of the most diverse conditions. It is understood, however, that it is readily possible for those skilled in the art to calculate appropriate thermal buffer capacity for a particular power plant or type of power plant, and then optionally by debugging the power plant startup and startup and modifying the thermal buffer continue to adapt.
  • the second power plant according to the invention comprises a turbine, a thermal buffer and a heat recovery steam generator.
  • heat energy is conducted by means of a matter flow from the turbine through the thermal buffer storage to the waste heat steam generator.
  • the second power plant according to the invention is characterized in that the heat capacity of the thermal buffer memory is tuned to the turbine, that in the event that the turbine is raised from a cold start within 10 minutes to 30 minutes to nominal load, an increase in heat flow at the output of the thermal buffer memory is delayed such that it reaches 90% of the equilibrium value in J / s at the earliest after 30 minutes, preferably at the earliest after 60 minutes and especially preferably after 120 minutes at the earliest.
  • the present invention is not limited to combined cycle power plants, so it is preferably to apply to combined cycle power plants, since in combined cycle power plants, the matter flow is flue gas, through which at startup or acceleration heat energy particularly fast and directly from the gas turbine is transported to the heat recovery steam generator.
  • the first or second power plant according to the invention comprises lines which supply the material flow from the turbine to the thermal buffer reservoir and from the thermal buffer store lead to the heat recovery steam generator, wherein the lines have no branches and / or no controllable closable flaps.
  • a serial, uncontrolled coupling of the thermal buffer memory is particularly advantageous because complex control technology is avoided whose use would be hampered by the high temperatures and pressures in the lines.
  • the first or second power plant of the present invention may include one or more bypass conduits arranged in parallel with the thermal buffer memory configured to conduct the flow of matter when the thermal buffer reaches a predetermined temperature, wherein a pressure loss through the one or more bypass conduits is smaller than a pressure loss through the thermal buffer, or in other words, the flow resistance for the matter flow through the one or more bypass lines is smaller than through the buffer memory.
  • the one or more bridging lines make it possible to decouple the buffer memory during or after start-up or start-up, so that the pressure loss associated with guiding the material flow through the thermal buffer can be avoided or at least reduced.
  • the predetermined temperature is an operating temperature of the thermal buffer at rated power of the first or second inventive power plant, and the pressure loss through the one or more bypasses is less than 75%, preferably less than 50% of the pressure loss through the thermal buffer.
  • the decoupling is preferably carried out only when the thermal buffer memory is fully charged and thus the heating rate of the heat recovery steam generator can no longer be braked by the thermal buffer and the thermal buffer only provides pressure loss.
  • the pressure loss of the bypass line should be as low as possible, for example, a line of the same dimensions as the line from the turbine to the thermal buffer memory.
  • the first or second power plant according to the invention is further adapted to heat energy from the thermal buffer to supply the heat recovery steam generator to prevent too fast cooling of the heat recovery steam generator and / or to keep the temperature of the heat recovery steam generator above a hot start temperature.
  • the first or second fiction, contemporary power plant to include a filled with a fluid pipe circuit, which is coupled via a first heat exchanger to the thermal buffer and is coupled via a second heat exchanger with the heat recovery steam generator.
  • the thermal buffer memory comprises a plurality of first parallel plates and a plurality of second parallel plates, the first plates and the second plates forming an array comprising a plurality of parallel channels.
  • the present invention according to claim 1, 12 and 13 is thus based on the use of a thermal buffer memory, which is preferably connected in a fixed arrangement, without additional interconnection, in series in front of the heat recovery steam generator.
  • the purpose of this circuit is not a flexibilization in terms of Lastgradient or heat extraction, as known from the prior art, but lowering the permissible startup and stop and / or down times of the gas turbine with a constant or reduced load on the critical components in the steam part ,
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a power plant according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2a shows a comparison of gas turbine exit temperature and storage outlet temperature for a warm start of the power plant.
  • FIG. 2b shows a comparison of gas turbine outlet temperature and storage outlet temperature for a cold start of the power plant.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a serial coupling of the thermal buffer storage between turbine and heat recovery steam generator of the power plant.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a serial coupling of the thermal buffer storage between turbine and heat recovery steam generator of the power plant with an additional bypass line.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a serial coupling of the thermal buffer storage between turbine and heat recovery steam generator of the power plant with an additional circuit for keeping warm the heat recovery steam generator.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the thermal buffer store.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a power plant 10 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the power plant 10 comprises a turbine 12, which via a shaft with a turbine 12 upstream compressor 14 and a Generator 16 is coupled.
  • a gas compressed by the compressor 14 is ignited in a combustion chamber 18 and generates a flow of matter which drives the turbine 12.
  • the material flow is fed via an exhaust line to a heat recovery steam generator 20, which forms a steam part of the power plant 10 together with a steam drum 22, a steam turbine 24, which is coupled to a further generator 26, and a condenser 28.
  • the cooled material flow is then cleaned and discharged through a chimney 30 into the environment.
  • a thermal buffer store 32 is arranged downstream of the turbine 12 in the exhaust gas line, but upstream of the heat recovery steam generator 20.
  • the thermal buffer memory 32 consists of a pack of metal tubes, which are flowed around by the material flow emerging from the turbine 12. The stream of matter passing through the thermal heat buffer 32 enters the heat recovery steam generator 20 after exiting the thermal heat buffer 32.
  • the heat recovery steam generator 20 comprises a superheater 34, an evaporator 36 and an economizer 38, which feed thermal energy from the material flow entering the heat recovery steam generator 20 into the steam cycle.
  • thermal buffer 32 may in principle include different materials or combinations of materials, for. As iron, steel or ceramics. Furthermore, the materials may be arranged in various forms in the thermal heat buffer 32, for. B. in the form of pipes, shaped bricks or bulk material.
  • thermal buffer 32 is constructed as an ordered pack or as a loose bed of storage material.
  • Target variables in the design of the thermal buffer 32 are rather the heat transfer coefficient, the heat capacity and the associated with the passage of the material flow through the thermal heat buffer 32 pressure loss in the exhaust system.
  • the energy absorption power must be designed so that the thermal buffer memory 32 can cause the desired flattening of the temperature curve at the output of the thermal buffer memory 32.
  • the energy absorption capacity of the thermal buffer memory 32 is 2,75x10 A 8 J / (Ks).
  • the specific heat capacity, together with the storage mass, the thermal capacity of the thermal buffer memory 32 is to be chosen so that the thermal inertia is large enough to achieve the desired effect (flattening of the temperature curve), but preferably not so large that the thermal Inertia results in too long a delay of the startup process for the steam part of the power plant 10.
  • the thermal buffer memory 32 of the power plant has a specific heat capacity of 450 J / kgK and a storage mass of 1 * 10 A 6 kg at a heat output of the heat recovery steam generator 20 of 200 MW (thermal).
  • the pressure loss should be kept as low as possible in order to avoid losses due to the higher pressure required at the gas turbine outlet. In the present case, the pressure loss of the thermal buffer 32 was about 5 Pa.
  • the thermal buffer 32 may have a power consumption depending on the required heat output of the heat recovery steam generator 20 of 200 MW, for example between 40 MWh and 210 MWh (thermal), between 20 MWh and 420 MWh (thermal) or between 80 MWh and 105 MWh (thermal). It is also clear that the thermal buffer 32 may have a heat capacity as needed, based on a heat output of the heat recovery steam generator 20 of 200 MW, for example between 475 J / K and 1500 J / K, between 200 J / K and 2000 J / K or between 50 J / K and 3000 J / K. It is also clear that the thermal buffer 32 may have a pressure loss related to a Heat output of the heat recovery steam generator 20 of 200 MW, for example, less than 5 Pa, less than 500 Pa or less than 5000 Pa.
  • the thermal buffer memory 32 In stationary operation, the thermal buffer memory 32, apart from the pressure loss, no effect on the power plant process, since the storage material has the same temperature as the matter flow and thus no heat transfer and no loading or unloading of the thermal buffer 32 takes place.
  • the temperature of the material flow at the gas turbine exit changes very rapidly. Due to the resulting temperature gradient between storage material and matter flow heat exchange between the thermal buffer 32 and the matter flow takes place. This heat exchange causes a slowing of the temperature change of the heat recovery steam generator 32.
  • the thermal buffer 32 acts in principle thus as a thermal inertia against temperature changes of the heat recovery steam generator 32nd
  • the operating principle of the thermal buffer memory 32 is shown in FIG. 2 a using the example of an accelerated hot start process of the turbine 12.
  • the thermal buffer 32 has a temperature of 220 ° C at the start of the starting process. This temperature is a common temperature in the heat recovery steam generator 20 during warm starts or after heat retention of the heat recovery steam generator 20.
  • the starting process of the turbine 12 is designed so that the turbine 12 reaches rated power within 15 minutes.
  • the solid black curve in FIG. 2 a represents the heat flow at the exit from the turbine 12.
  • the dashed curve represents the heat flow at the exit from the turbine It can be seen that the dashed curve, which represents the heat flow at the exit from the thermal buffer 32, compared to the solid curve, which represents the heat flow at the exit from the turbine 12, by the loading of the thermal buffer 32 with Heat energy is significantly flattened.
  • the curve of the heat flow at the outlet from the thermal buffer memory 32 thus corresponds to a curve, as would have been achieved without thermal buffer 32 only at a much slower startup of the turbine 12 (shown in solid light gray in Fig. 2a).
  • Fig. 2b shows the same picture for a cold start operation.
  • the memory has a temperature of 60 ° C at the beginning of the startup process.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a serial coupling of the thermal buffer 32 between turbine 12 and heat recovery steam generator 20 of the power plant 10.
  • the lines which the matter flow from the turbine 12 to the thermal buffer 32 and from the thermal buffer 32 to the heat recovery steam generator 20 lead, completely closed executed.
  • the lines have no branches or closable closable flaps. This means that the matter flow is always completely guided through the thermal buffer memory 32. This eliminates in this case any complex control technology.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a serial coupling of the thermal buffer 32 between the turbine 12 and the heat recovery steam generator 20 of the power plant 10 with one or more additional bypass lines 40, 40 '.
  • the thermal buffer memory 32 is only coupled in series between the turbine 12 and the heat recovery steam generator 20 during the starting process, as indicated by the dashed line in FIG. 4.
  • the material flow is guided by the bridging line from the turbine 12 to the heat recovery steam generator 20.
  • the pressure loss through the thermal buffer 32 is reduced during the operation following the start-up or start-up operation.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the serial coupling of the thermal buffer 32 between the turbine 12 and the heat recovery steam generator 20 of the power plant 10 as shown in Fig. 3, but with an additional pipe circuit 42 for holding the heat recovery steam generator 20.
  • the tube circuit 42 for holding the heat recovery steam generator 20 is filled with a fluid, such as water, and is activated after the material flow from the turbine 12 to the heat recovery steam generator 20 on Reason for the shutdown of the turbine 12 comes to a standstill.
  • Thermal energy is supplied from the thermal buffer 32 to the heat recovery steam generator 20 through the pipe circuit 42 to prevent overheating of the heat recovery steam generator 20 and / or to maintain the temperature of the heat recovery steam generator 20 above a hot start temperature.
  • the pipe circuit 42 is coupled via a first heat exchanger with the thermal buffer memory 32 and coupled via a second heat exchanger with the heat recovery steam generator 20.
  • ambient air may be blown through the thermal buffer 32 via the turbine 12, or via an additional fan disposed parallel to the turbine 12. This air is heated there, discharged the buffer memory 32 and the heat can be transferred in the heat recovery steam generator 20 to the water vapor circuit and used.
  • the air mass flow can also be chosen so that the heat transferred to the heat recovery steam generator 20 exactly corresponds to the heat losses of the heat recovery steam generator 20 to the environment and this is thus maintained over a longer period at a constant temperature, for example 6 h, 12 h or 24 h. According to the standard, this process must be carried out with 3 times the boiler volume before each start-up (boiler flushing).
  • the thermal buffer memory 32 may comprise a matrix-like arrangement of a plurality of plates, in particular a plurality of metal plates 44, 46.
  • the thermal buffer 32 may further include a shell (not shown) that encloses the array on a plurality of sides such that the thermal buffer 32 has two (opposite) openings.
  • the plurality of metal plates 44, 46 may be formed into a plurality of first metal plates 44 parallel to each other are arranged, and a plurality of second metal plates 46, which are each arranged perpendicular to the first metal plates 44, be divided.
  • the thermal buffer memory 32 may be square or cube-shaped.
  • first metal plates 44 may be horizontally stacked and the second metal plates 46 may be vertically juxtaposed as shown in FIG.
  • the present invention is not limited to parallelepiped or cube-shaped thermal buffers 32 because, for example, cylindrical or irregularly shaped thermal buffers 32 may be used.
  • alignments with each other that include other angles, for example, 45 ° angles may also be considered.
  • the metal plates 44, 46 may be arranged so that thermal expansion between the metal plates 44, 46 does not create any tension forces.
  • the metal plates 44, 46 may be arranged so that they are slidably attached to each other.
  • the metal plates 44, 46 may be slotted and nested, as shown in the right half of FIG. 6 by way of example for a first metal plate 44 and a second metal plate 46 Allow thermal expansion of the individual metal plates 44, 46.
  • the first metal plates 44 may each be provided with a plurality of parallel slots, each slot being adapted and arranged to receive a second metal plate 46 by inserting the second metal plate 46 into a slot of the first metal plate 44.
  • the metal plates 44, 46 may be fixedly mounted on one side of the assembly so that corresponding ends of the metal plates 44, 46 remain in position upon expansion of the same. Furthermore, several or all sides of the arrangement may be movably mounted.
  • a plurality of parallel rectangular channels is formed.
  • the edge lengths a and b of the channels may be the same or different and, for example, each in the range of 2 to 20 cm.
  • the plate thicknesses d and e may also be the same or different and, for example, each in the range between 1 to 20 mm.
  • the thermal buffer memory 32 may have a plurality of sections (the matrix-shaped arrangement) in the flow direction of the exhaust gas (direction of the length L), for example lengths L of 10 cm to 10 m to have.
  • the sections can be arranged in the flue gas channel with little space between the sections (which, however, must be sufficiently large to compensate for the thermal expansion of the sections) without being connected to one another.
  • the number of channels in the matrix, as well as the total number of sections, may be tuned to the thermal buffer memory 32 deployment profile and the local space available for the thermal buffer.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Begrenzung der Änderung eines durch einen Materiestrom von einer Turbine zu einem Abhitzedampferzeuger induzierten Wärmetransports in einem Kraftwerk bereit. Das Verfahren umfasst den Schritt des Führens des Materiestroms von der Turbine durch einen thermischen Pufferspeicher zu dem Abhitzedampferzeuger und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Führen des Materiestroms durch den thermischen Pufferspeicher während eines Hoch- oder Anfahrvorgangs und/oder eines Herunter- oder Abfahrvorgangs der Turbine stattfindet.

Description

THERMISCHER PUFFERSPEICHER ZUR BESCHLEUNIGUNG DES HOCH- BZW. ANFAHRVORGANGS IN KRAFTWERKEN MIT ABHITZEDAMPFERZEUGER
GEBIET DER ERFINDUNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermische Pufferspeicher zur Beschleunigung des Hoch- bzw. Anfahrvorgangs in Kraftwerken mit einem Abhitzedampferzeuger. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf thennische Pufferspeicher zur Beschleunigung des Hoch- bzw. Anfahrvorgangs einer in einem Gas- und Dampfkraftwerk verbauten Gasturbine.
HINTERGRUND Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke (GuD) haben im Vergleich zu anderen konventionellen Kraftwerken relativ hohe Wirkungsgrade von bis zu 60 %. Zudem sind ihre Investitionskosten im Vergleich zu kohlegefeuerten Kraftwerken geringer. Damit eignen sie sich besser für den Betrieb mit geringeren Volllaststundenzahlen, wie er in einem von Erneuerbaren Energien (EE) dominierten Energiesystem zunehmend vorkommt. In zukünftigen, von der fluktuierenden Einspeisung der EE dominierten Energiesystemen, ist vor allem die Anfahrzeit, also die Zeit, die vergeht um ein Kraftwerk aus dem Stillstand auf Nennleistung zu bringen, ein entscheidender Parameter für den Kraftwerkseinsatz. Ist ein Kraftwerk nämlich in der Lage, binnen weniger als 15 Minuten (min) anzufahren, so kann es Minutenreserve am Markt veräußern. Nach derzeitigem Stand der Technik sind lediglich Pumpspeicherkraftwerke und reine Gasturbinenkraftwerke in der Lage, aus dem Stillstand Minutenreserve bereitzustellen.
Trotz des Gasturbinenanteils, der prinzipiell ein schnelles Anfahren erlaubt, bleiben herkömmliche GuD-Kraftwerke hinsichtlich Anfahrzeit deutlich hinter reinen Gasturbinenkraftwerken zurück. Der Grund hierfür ist, dass der Dampfteil des GuD- Kraftwerks die Minimierung der Anfahrzeit der Gasturbine begrenzt, da bei zu schnellem Anfahren der Gasturbine thermische Spannungen im Abhitzedampferzeuger und in mit dem Abhitzedampferzeuger thermisch verbundenen Bauteilen auftreten, welche diese nachhaltig schädigen können. Je länger ein GuD-Kraftwerk vor einem Anfahrvorgang stillgestanden hat, desto stärker ist der Abhitzedampferzeuger ausgekühlt und desto länger dauert der Anfahrvorgang. Flexibilisierung von GuD-Kraftwerken ist in Wissenschaft und Technik daher Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung.
Neben klassischen Maßnahmen wie der Dampfeindüsung (Steam Injected Gas Turbine - STIG) oder Warmhaltung kritischer Komponenten wurde auch vorgeschlagen, GuD- Kraftwerke mit Speichern auszurüsten. Unter dem Namen STIG Speicher wurde beispielsweise ein System vorgestellt, das durch den Einsatz eines Dampfspeichers das Kennfeld eines STIG-Kraftwerks erheblich erweitert (vgl. Lenk U. und Tremel, A. (2013): Flexibilisierung von Kraftwerken durch thermische Energiespeicherung, Kraftwerkstechnik, S. 733-747, Dresden).
Ferner besteht die Möglichkeit in einem GuD-Kraftwerk einen Bypasskamin vorzusehen. Dieser weist bezüglich der Dynamikverbesserung beim Hoch- bzw. Anfahren der Gasturbine großes Potenzial auf, leidet jedoch unter einem beträchtlichen Wärmemengenverlust, was sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt. Ferner ist durch die Verwendung eines Bypasskamins eine Dynamikverbesserung beim Abfahren der Gasturbine nicht möglich. Nachteilig ist bei der Verwendung eines Bypasskamins weiterhin, dass eine Gabelung im Rauchgasweg zwischen Gasturbine und Abhitzedampferzeuger vorgesehen werden muss. Dieser Teil des Rauchgaspfades gilt jedoch allgemein als strömungsmechanisch besonders sensibel, da eine gleichmäßige Anströmung des Abhitzedampferzeugers gewährleistet werden muss.
Weitere aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen zur Dynamikverbesserung in GuD-Kraftwerken setzen am Wasser-Dampf-Kreislauf an, beispielsweise Speichersysteme, die parallel zum Abhitzedampferzeuger verschaltet werden (vgl. DE 10 260992 AI und WO2012/150969 AI). ZUSAMMENFASSUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die kurzen Anfahrzeiten von Gasturbinen auch im GuD-Betrieb nutzbar zu machen, ohne dabei allzu große Einbußen beim Wirkungsgrad zu erleiden. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der seriellen Integration eines thermischen Pufferspeichers zwischen Turbine und Abhitzedampferzeuger, wodurch eine graduelle thermische Entkopplung von Turbine und Abhitzedampferzeuger während der kritischen Phasen ermöglicht wird. Dadurch werden starke Gradienten der Abgastemperatur, wie sie beispielswese beim schnellen An- oder Abfahren der Turbine auftreten, vor dem Eintritt in den Abhitzedampferzeuger abgemildert. Der Gasturbinenteil eines GuD-Kraftwerks kann somit deutlich dynamischer betrieben werden, ohne dass es dabei zu erhöhten Schädigungen durch thermische Spannungen im Abhitzekessel kommt.
Die erfindungsgemäße Lösung umfasst ein Verfahren und zwei Kraftwerke.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Begrenzung der Änderung eines durch einen Materiestrom von einer Turbine zu einem Abhitzedampferzeuger induzierten Wärmestroms in einem Kraftwerk, bei dem der Materiestrom von der Turbine durch einen thermischen Pufferspeicher zu dem Abhitzedampferzeuger geführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Führen des Materiestroms durch den thermischen Pufferspeicher während eines Hochoder Anfahrvorgangs und/oder eines Herunter- oder Abfahrvorgangs der Turbine stattfindet.
Hoch- und Anfahrvorgang sind dabei insbesondere als Betriebszustandsänderungen zu verstehen, bei denen sich der Energieausstoß des Kraftwerks erhöht, während Herunter- und Abfahrvorgang insbesondere als Betriebszustandsänderungen zu verstehen sind, bei denen sich der Energieausstoß des Kraftwerks verringert. Als Hochfahrvorgang soll insbesondere eine Laständerung im Betrieb des Kraftwerks und als Anfahrvorgang soll insbesondere ein Warm- oder Kaltstart verstanden werden. Analog soll ein Herunterfahrvorgang insbesondere als Überführen des Kraftwerks in einen Betriebsmodus verstanden werden, an dessen Ende das Kraftwerk in einem stabilen Betriebszustand mit geringem Energieausstoß, üblicherweise um die 25% der Nennleistung, verbleibt. Als Abfahrvorgang wird ein Vorgang bezeichnet, bei dem sich der Energieausstoß des Kraftwerks auf null reduziert und an den sich je nach Stillstandszeit ein Warmstartzustand oder nach fortschreitender Auskühlung ein Kaltstartzustand anschließt.
Das erfmdungsgemäße Verfahren begrenzt die zeitliche Änderung des Wärmetransports zu dem Abhitzedampferzeuger, indem der Materiestrom durch den thermischen Pufferspeicher zu dem Abhitzedampferzeuger geführt wird. Beim Passieren des thermischen Pufferspeichers, welcher während des Hoch- bzw. Anfahrvorgangs eine geringere Temperatur aufweist als der Materiestrom und während des Runter- bzw. Abfahrvorgangs eine höhere Temperatur aufweist als der Materiestrom, kühlt der Materiestrom ab bzw. heizt sich auf, da auf Grund der unterschiedlichen Temperaturen Wärme vom Materiestrom an den thermischen Pufferspeicher abgegeben wird bzw. vom thermischen Pufferspeicher aufgenommen wird.
Da sich der Pufferspeicher während des Hoch- bzw. Anfahrvorgangs durch den ständigen Materiestrom fortlaufend erwärmt, sinkt die Abkühlung des Materiestroms. Dadurch steigt die Temperatur des am Abhitzedampferzeuger ankommenden Materiestroms an, bis sie schlussendlich eine konstante Betriebstemperatur erreicht. Der in Serie geschaltete thermische Pufferspeicher begrenzt somit die Änderung des Wärmeenergietransports zum Abhitzedampferzeuger nur während des Hoch- bzw. Anfahrvorgangs und des Runter- oder Abfahrvorgangs und ist im sich an den Hoch- bzw. Anfahrvorgang anschließenden Normalbetrieb thermisch neutral.
Vorzugsweise wird der Materiestrom während mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50% und besonders vorzugsweise 100% der Dauer des Hoch- oder Anfahrvorgangs der Turbine kontinuierlich durch den thermischen Pufferspeicher geführt und der Hoch- oder Anfahrvorgang ist abgeschlossen, wenn die Turbine eine vorbestimmte Leistungsstufe erreicht hat, in der die Turbine für mindestens 10 min, vorzugsweise für mindestens 30 min und besonders vorzugsweise für mindestens 60 min verbleibt. Grundsätzlich kann das Führen des Materiestroms durch den thermischen Pufferspeicher auch durch eine Regelung gesteuert werden, z. B. derart, dass der Materiestrom nur in dem Maße durch den Pufferspeicher geleitet wird, dass ein am Abhitzedampferzeuger gemessener Temperaturgradient einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, welcher basierend auf der Bauweise des Abhitzedampferzeugers und an den Abhitzedampferzeuger thermisch gekoppelter Bauteile so bestimmt ist, dass der Abhitzedampferzeuger bei Erwärmung mit einem Temperaturgradienten, der unterhalb des vorbestimmten Werts ist, langfristig keinen Schaden nimmt. Ferner kann das Hoch- bzw. Anfahren auch stufenweise erfolgen, so dass die Hoch- bzw. Anfahrgeschwindigkeit der Turbine beispielsweise reduziert wird, wenn sich ein am Abhitzedampferzeuger gemessener Temperaturgradient dem vorbestimmten Wert nähert.
Eine solche aktive Regelung des Materiestroms bedeutet aber zusätzlichen Aufwand und kann, abhängig von der Bauart des Kraftwerks, bei passender Auslegung des thermischen Pufferspeichers vermieden werden, beispielsweise indem der Pufferspeicher gerade so ausgelegt wird, dass ein am Abhitzedampferzeuger gemessener Temperaturgradient auch bei durchgängig kontinuierlichem Führen des Materiestroms durch den Pufferspeicher und maximaler Hoch- bzw. Anfahrgeschwindigkeit der Turbine einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet.
Vorzugsweise beträgt die vorbestimmte Leistungsstufe nicht weniger als 25% der Nennleistung, vorzugsweise nicht weniger als 50% der Nennleistung, besonders vorzugsweise nicht weniger als 75% der Nennleistung und der Hoch- oder Anfahrvorgang der Turbine dauert nicht länger als 30 min, vorzugsweise nicht länger als 15 min.
Ist der thermische Pufferspeicher so dimensioniert, dass er es erlaubt, innerhalb von 15 min die Turbine auf eine bestimmte Leistungsstufe hoch- bzw. anzufahren, kann die bei dieser Leistungsstufe erzeugte Energie als Minutenreserve genutzt werden. Da der Wirkungsgrad von Gasturbinen bei Annäherung an ihre Nennleistung im Allgemeinen steigt, ist es daher besonders vorteilhaft, wenn die Gasturbine innerhalb von 15 min eine möglichst hohe Leistungsstufe erreicht, um die Minutenreserve mit möglichst hohem Wirkungsgrad erzeugen zu können.
Vorzugsweise ist die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers so auf die Turbine abgestimmt, dass der Anstieg des Wärmestroms am Ausgang des thermischen Pufferspeichers gegenüber dem Anstieg am Austritt der Turbine derart verzögert wird, dass der Wärmestrom am Ausgang des thermischen Pufferspeichers am Ende des Hoch- oder Anfahrvorgangs der Turbine mehr als 20%, vorzugsweise mehr als 40% und besonders vorzugsweise mehr als 60%, aber nicht mehr als 90%, vorzugsweise nicht mehr als 80%» und besonders vorzugsweise nicht mehr als 70% des Wertes am Austritt der Turbine erreicht. Der Wärmestrom wird hierbei nach der Formel Wärmestrom=Massenstrom*WärmekapazitätJ|!Temperatur bestimmt.
Das bedeutet, dass der thermische Pufferspeicher genug Kapazität aufweist, um bis zum Ende des Hoch- oder Anfahrvorgangs Wärmeenergie aufzunehmen. Gleichzeitig ist er nicht so groß dimensioniert, dass er die Energieerzeugung durch den Dampfteil zu lange verzögert.
Vorzugsweise ist die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers so auf die Turbine abgestimmt, dass der Betrag des Gradienten des Wärmestroms am Ausgang des thermischen Pufferspeichers derart gedämpft wird, dass der Betrag des Gradienten des Wärmestroms am Ausgang des thermischen Pufferspeichers während des Hoch- oder Anfahrvorgangs oder während des Herunter- oder Abfahrvorgangs im Durchschnitt kleiner als 5 %/min, vorzugsweise kleiner als 2 %/min und besonders vorzugsweise kleiner als 1 %/min ist, wobei sich die Prozentangaben auf den Wärmestrom bei Nennleistung beziehen.
Durch die Begrenzung des Gradienten des Wärmestroms wird eine zu große Änderung der Temperatur am Ausgang des thermischen Pufferspeichers vermieden, was verhindert, dass Schäden an kritischen Bauteilen des Dampfteils entstehen.
Vorzugsweise ist die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers gleich α■ thermische Nennleistung des Abhitzedampferzeugers wobei α größer als lxl0A-3 und vorzugsweise größer als lxlOA-2 und kleiner als l l 0Λ3 und vorzugsweise kleiner als lxlOA2 ist.
Vorzugsweise wird das Verfahren auf ein GuD-Kraftwerk angewandt, dessen Materiestrom Rauchgas ist.
Die Anwendung auf GuD-Kraftwerke ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil durch des Rauchgas Temperaturänderungen besonders schnell und unmittelbar an den Dampfteil weitergegeben werden und der thermische Pufferspeicher daher notwendig ist, um den Dampfteil vor zu hohen thermischen Spannungen zu schützen. Vorzugsweise weist das Kraftwerk Leitungen auf, welche den Materiestrom von der Turbine zu dem thermischen Pufferspeicher und von dem thermischen Pufferspeicher zu dem Abhitzedampferzeuger führen, wobei die Leitungen keine Abzweigungen und/oder keine regelbar verschließbaren Klappen aufweisen. Eine Ausgestaltung mit Abzweigungen und regelbar verschließbaren Klappen würde zwar die Regelung des durch den thermischen Puffer geführten Materiestroms ermöglichen, aber auch zusätzlichen Aufwand in Form von der Regelungstechnik bedeuten, der bei entsprechender Auslegung des thermischen Puffers vermieden werden kann.
Alternativ kann das Verfahren die weiteren Schritte des Bestimmens, dass der thermische Pufferspeicher eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat und des Führens des Materiestroms durch eine parallel zu dem thermischen Pufferspeicher angeordnete Überbrückungsleitung aufweisen, wobei ein Druckverlust durch die Überbrückungsleitung kleiner ist, als ein Druckverlust durch den thermischen Pufferspeicher.
Hat der thermische Pufferspeicher seine Betriebstemperatur erreicht, kann er keine weitere Wärmeenergie aufnehmen. In diesem Fall kann der mit dem Durchströmen des Wärmepuffers einhergehende Staudruck, welcher den an der Turbine zur Verfügung stehenden Druck reduziert, vermieden oder zumindest reduziert werden, indem der Materiestrom durch eine Überbrückungsleitung geführt wird, die mit einem kleineren Druckverlust behaftet ist.
Vorzugsweise ist die vorbestimmte Temperatur eine Betriebstemperatur des thermischen Pufferspeichers bei Nennleistung des Kraftwerks und der Druckverlust durch die Überbrückungsleitung beträgt weniger als 75% und besonders vorzugsweise weniger als 50% des Druckverlusts durch den thermischen Pufferspeicher.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die weiteren Schritte des Herunterfahrens der Turbine und des Zuführens von Wärmeenergie aus dem thermischen Pufferspeicher an den Abhitzedampferzeuger, vorzugsweise durch Führen von Umgebungsluft von der Turbine oder von einem zusätzlichen, parallel zur Turbine angeordneten Gebläse durch den thermischen Pufferspeicher zum Abhitzedampferzeuger. Nach dem Herunterfahren der Turbine kann durch Wegführen von Wärmeenergie aus dem thermischen Pufferspeicher dieser vor dem nächsten Startvorgang entleert werden. Ferner kann durch das Zuführen von Wärmeenergie der Dampfteil warmgehalten werden, so dass die beim anschließenden Hochfahren entstehenden thermischen Spannungen reduziert werden können.
Vorzugsweise umfasst das Kraftwerk dazu einen mit einem Fluid gefüllten Rohrkreislauf, welcher über einen ersten Wärmetauscher mit dem thermischen Pufferspeicher gekoppelt ist und über einen zweiten Wärmetauscher mit dem Abhitzedampferzeuger gekoppelt ist.
Das erste erfindungsgemäße Kraftwerk umfasst eine Turbine, einen thermischen Pufferspeicher und einen Abhitzedampferzeuger. Im Betrieb wird Wärmeenergie mittels eines Materiestroms von der Turbine durch den thermischen Pufferspeicher zum Abhitzedampferzeuger geführt. Das erste erfindungsgemäße Kraftwerk ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers gleich ot - thermische Nennleistung des Abhitzedampferzeugers ■ f: ist, wobei α größer als 1χ10Λ-3 und vorzugsweise größer als 1χ10Λ-2 und kleiner als lxl 0A3 und vorzugsweise kleiner als lxl 0A2 ist.
Hierbei wird davon ausgegangen, dass die von der Turbine an den Abhitzedampferzeuger abgegebene Wärmeleistung im Wesentlichen der thermischen Nennleistung des Dampfteils geteilt durch den Wirkungsgrad entspricht. Der thermische Pufferspeicher muss so ausgelegt sein, dass er eine spürbare Menge dieser Wärmeenergie aufnehmen kann, um den Temperaturanstieg in dem Abhitzedampferzeuger auf ein unschädliches Maß zu reduzieren. Gleichzeitig würde ein zu großer thermischer Pufferspeicher das Erwärmen des Abhitzedampferzeugers stark verlangsamen, wodurch die Erzeugung von Energie durch den Dampfteil des Kraftwerks unnötig verzögert werden würde. Bevorzugt wird daher ein thermischer Pufferspeicher, welcher eine Kapazität aufweist, die es erlaubt, die Erwärmung des Abhitzedampferzeugers so zu bremsen, dass keine Schäden am Abhitzedampferzeuger oder an mit dem Abhitzedampferzeuger thermisch verbundenen Bauteilen entstehen und es gleichzeitig erlaubt, dass das Kraftwerk möglichst schnell mit Nennleistung betrieben wird. Da die Kapazität eines solchen thermischen Pufferspeichers stark von den baulichen Gegebenheiten des Kraftwerks abhängt, lässt sich hierzu nur ein Bereich definieren und es ist liegt in der Natur der Sache, dass dieser Bereich eher groß bemessen sein muss, um den unterschiedlichsten Gegebenheiten Rechnung zu tragen. Es wird aber davon ausgegangen, dass es Fachleuten ohne weiteres möglich ist, für ein bestimmtes Kraftwerk oder einen bestimmten Kraftwerkstyp eine passende Kapazität des thermischen Pufferspeichers zu berechnen, und diese dann gegebenenfalls durch Austesten des Hoch- bzw. Anfahrvorgangs des Kraftwerks und Modifizieren des thermischen Pufferspeichers weiter anzupassen.
Das zweite erfindungsgemäße Kraftwerk umfasst eine Turbine, einen thermischen Pufferspeicher und einen Abhitzedampferzeuger. Im Betrieb wird Wärmeenergie mittels eines Materiestroms von der Turbine durch den thermischen Pufferspeicher zum Abhitzedampferzeuger geführt. Das zweite erfindungsgemäße Kraftwerk ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers so auf die Turbine abgestimmt ist, dass für den Fall, dass die Turbine aus einem Kaltstart innerhalb von 10 min bis 30 min auf Nennlast hochgefahren wird, ein Anstieg eines Wärmestroms am Ausgang des thermischen Pufferspeichers derart verzögert wird, dass dieser frühestens nach 30 min, vorzugsweise frühestens nach 60 min und besonders vor-zugsweise frühestens nach 120 min 90% des Gleichgewichtswertes in J/s erreicht.
Durch die Verzögerung des Temperaturanstiegs wird die Erzeugung von thermischen Spannungen im Dampfteil reduziert, da die Bauteile im Dampfteil mehr Zeit haben sich gleichmäßig zu erwärmen.
Auch wenn die vorliegende Erfindung nicht auf GuD-Kraftwerke beschränkt ist, so ist sie doch vorzugsweise auf GuD-Kraftwerke anzuwenden, da bei GuD-Kraftwerken der Materiestrom Rauchgas ist, durch welchen beim Hoch- bzw. Anfahren Wärmeenergie besonders schnell und unmittelbar von der Gasturbine zum Abhitzedampferzeuger transportiert wird.
Vorzugsweise weist das erste oder zweite erfindungsgemäße Kraftwerk Leitungen auf, welche den Materiestrom von der Turbine zu dem thermischen Pufferspeicher und von dem thermischen Pufferspeicher zu dem Abhitzedampferzeuger führen, wobei die Leitungen keine Abzweigungen und/oder keine regelbar verschließbaren Klappen aufweisen.
Eine serielle, ungeregelte Einkopplung des thermischen Pufferspeichers ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil aufwändige Steuer- und Regelungstechnik vermieden wird, deren Einsatz durch die hohen Temperaturen und Drücke in den Leitungen erschwert würde.
Alternativ kann das erste oder zweite erfindungsgemäße Kraftwerk eine oder mehrere parallel zu dem thermischen Pufferspeicher angeordnete Überbrückungsleitungen aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, den Materiestrom zu führen, wenn der thermische Pufferspeicher eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, wobei ein Druckverlust durch die eine oder die mehreren Überbrückungsleitungen kleiner ist, als ein Druckverlust durch den thermischen Pufferspeicher, oder mit anderen Worten, der Durchflusswiderstand für den Materiestrom durch die eine oder die mehreren Überbrückungsleitungen kleiner ist, als durch den Pufferspeicher.
Durch die eine oder die mehreren Überbrückungsleitungen wird es möglich, den Pufferspeicher während oder nach dem Hoch- bzw. Anfahren auszukoppeln, so dass der mit der Führung des Materiestroms durch den thermischen Pufferspeicher verbundene Druckverlust vermieden oder zumindest verringert werden kann.
Vorzugsweise ist die vorbestimmte Temperatur eine Betriebstemperatur des thermischen Pufferspeichers bei Nennleistung des ersten oder zweite erfindungsgemäßen Kraftwerks und der Druckverlust durch die eine oder die mehreren Überbrückungsleitungen beträgt weniger als 75%, vorzugsweise weniger als 50% des Druckverlusts durch den thermischen Pufferspeicher.
Die Auskopplung erfolgt vorzugsweise erst, wenn der thermische Pufferspeicher voll geladen ist und somit die Aufheizungsgeschwindigkeit des Abhitzedampferzeugers durch den thermischen Pufferspeicher nicht mehr gebremst werden kann und der thermische Pufferspeicher nur noch für Druckverlust sorgt. Der Druckverlust der Überbrückungsleitung soll möglichst gering sein, beispielsweise eine Leitung gleicher Dimensionierung wie die Leitung von der Turbine zum thermischen Pufferspeicher. Vorzugsweise ist das erste oder zweite erfindungsgemäße Kraftwerk ferner dazu eingerichtet dem Abhitzedampferzeuger beim zum Erliegen kommen des Materiestroms Wärmeenergie aus dem thermischen Pufferspeicher zuzuführen, um ein zu schnelles Auskühlen des Abhitzedampferzeugers zu verhindern und/oder die Temperatur des Abhitzedampferzeugers oberhalb einer Warmstarttemperatur zu halten.
Durch das Zuführen von Wärmeenergie aus dem thermischen Pufferspeicher und das Warmhalten des Abhitzedampferzeugers können thermische Spannungen beim Runter- bzw. Abfahren und Hoch- bzw. Anfahren reduziert werden oder der Hoch- bzw. Anfahrprozess beschleunigt werden. Vorzugsweise umfasst das erste oder zweite erfindungs gemäße Kraftwerk dazu einen mit einem Fluid gefüllten Rohrkreislauf, welcher über einen ersten Wärmetauscher mit dem thermischen Pufferspeicher gekoppelt ist und über einen zweiten Wärmetauscher mit dem Abhitzedampferzeuger gekoppelt ist.
Vorzugsweise weist der thermische Pufferspeicher eine Vielzahl erster parallel angeordneter Platten und eine Vielzahl zweiter parallel angeordneter Platten auf, wobei die ersten Platten und die zweiten Platten eine Anordnung bilden, die eine Vielzahl paralleler Kanäle umfasst.
Die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1, 12 und 13 basiert somit auf der Verwendung eines thermischen Pufferspeichers, der vorzugsweise in fester Anordnung, ohne zusätzliche Verschaltung, in Serie vor den Abhitzedampferzeuger geschaltet ist. Zweck dieser Schaltung ist nicht eine Flexibilisierung hinsichtlich Lastgradient oder Wärmeauskopplung, wie aus dem Stand der Technik bekannt, sondern ein Absenken der zulässigen Hoch- bzw. An- und Runter- bzw. Abfahrzeiten der Gasturbine bei gleich bleibender oder verringerter Belastung der kritischen Komponenten im Dampfteil.
Ein weiterer Vorteil über die zur Wärmeauskopplung aus dem Stand der Technik bekannte technische Lehre besteht darin, dass die erfindungsgemäße Lösung nur geringen Bauraum erfordert und somit bei bestehenden GuD Kraftwerken mit geringem Aufwand nachrüstbar ist. KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftwerks gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2a zeigt einen Vergleich von Gasturbinenaustrittstemperatur und Speicheraustrittstemperatur für einen Warmstart des Kraftwerks.
Fig. 2b zeigt einen Vergleich von Gasturbinenaustrittstemperatur und Speicheraustrittstemperatur für einen Kaltstart des Kraftwerks.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer seriellen Einkopplung des thermischen Pufferspeichers zwischen Turbine und Abhitzedampferzeuger des Kraftwerks.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer seriellen Einkopplung des thermischen Pufferspeichers zwischen Turbine und Abhitzedampferzeuger des Kraftwerks mit einer zusätzlichen Überbrückungsleitung.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer seriellen Einkopplung des thermischen Pufferspeichers zwischen Turbine und Abhitzedampferzeuger des Kraftwerks mit einem zusätzlichen Kreislauf zum Warmhalten des Abhitzedampferzeugers.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform des thermischen Pufferspeichers.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
BESCHREIBUNG
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftwerks 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Kraftwerk 10 umfasst eine Turbine 12, welche über eine Welle mit einem der Turbine 12 vorgeschaltetem Verdichter 14 und einem Generator 16 gekoppelt ist. Ein durch den Verdichter 14 verdichtetes Gas wird in einer Brennkammer 18 gezündet und erzeugt einen Materiestrom, welcher die Turbine antreibt 12.
Der Materiestrom wird über einen Abgasstrang einem Abhitzedampferzeuger 20 zugeführt, der zusammen mit einer Dampftrommel 22, einer Dampfturbine 24, welche mit einem weiteren Generator 26 gekoppelt ist, und einem Kondensator 28 einen Dampfteil des Kraftwerks 10 bildet. Der abgekühlte Materiestrom wird dann gereinigt und über einen Kamin 30 in die Umgebung abgegeben.
Im Abgasstrang ist zudem stromabwärts der Turbine 12, jedoch stromaufwärts des Abhitzedampferzeugers 20, ein thermischer Pufferspeicher 32 angeordnet. Der thermische Pufferspeicher 32 besteht aus einer Packung von Metallrohren, welche von dem aus der Turbine 12 austretenden Materiestrom umströmt werden. Der Materiestrom, der den thermischen Wärmepuffer 32 durchströmt, tritt nach Austritt aus dem thermischen Wärmepuffer 32 in den Abhitzedampferzeuger 20 ein. Der Abhitzedampferzeuger 20 umfasst einen Überhitzer 34, einen Verdampfer 36 und einen Economizer 38, welche Wärmeenergie von dem in den Abhitzedampferzeuger 20 eintretenden Materiestrom in den Dampfkreislauf einspeisen.
Auch wenn im vorliegenden Ausführungsbeispiel explizit ein thermischer Pufferspeicher 32 aus Metallrohren beschrieben ist, kann der thermische Pufferspeicher 32 grundsätzlich verschiedene Materialien oder Materialkombinationen umfassen, z. B. Eisen, Stahl oder Keramik. Ferner können die Materialien in unterschiedlichster Form im thermischen Wärmepuffer 32 angeordnet sein, z. B. in Form von Rohren, Formsteinen oder Schüttgut.
Dabei ist unerheblich, ob der thermische Pufferspeicher 32 als geordnete Packung oder als lose Schüttung des Speichermaterials aufgebaut ist. Zielgrößen bei der Auslegung des thermischen Pufferspeichers 32 sind vielmehr der Wärmeübergangskoeffizient, die Wärmekapazität und der mit der Durchleitung des Materiestroms durch den thermischen Wärmepuffer 32 einhergehende Druckverlust im Abgasstrang.
Der Wärmeübergangskoeffizient ergibt zusammen mit der angeströmten Fläche des thermischen Pufferspeichers 32 die Energieaufnahmeleistung in Abhängigkeit vom Temperaturunterschied zwischen der angeströmten Oberfläche des thermischen Pufferspeichers 32 und dem Materiestrom. Die Energieaufnahmeleistung muss dabei so ausgelegt sein, dass der thermische Pufferspeicher 32 die gewünschte Abflachung der Temperaturkurve am Ausgang des thermischen Pufferspeichers 32 bewirken kann. Im vorliegenden Fall liegt die Energieaufnahmeleistung des thermischen Pufferspeichers 32 bei 2,75x10A8 J/(Ks).
Die spezifische Wärmekapazität ergibt zusammen mit der Speichermasse die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers 32. Diese ist so zu wählen, dass die thermische Trägheit groß genug ist, um den gewünschten Effekt (Abflachen der Temperaturkurve) zu erreichen, jedoch vorzugsweise nicht so groß, dass die thermische Trägheit in einer zu großen Verzögerung des Anfahrvorgangs für den Dampfteil des Kraftwerks 10 resultiert. Im vorliegenden Fall hat der thermische Pufferspeicher 32 des Kraftwerks eine spezifische Wärmekapazität von 450 J/kgK und eine Speichermasse von 1*10A6 kg bei einer Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers 20 von 200 MW (thermisch). Der Druckverlust ist möglichst gering zu halten, um Verluste durch den höheren benötigten Druck am Gasturbinenaustritt zu vermeiden. Im vorliegenden Fall lag der Druckverlust des thermischen Pufferspeichers 32 bei ca. 5 Pa.
Die Zielvorgaben der Stellgrößen stehen teilweise miteinander in Konflikt, so dass für jedes Kraftwerk 10 individuell ein optimales System ermittelt werden muss. Daher ist klar, dass der thermische Pufferspeicher 32 je nach Bedarf eine Energieaufnahmeleistung aufweisen kann, die bezogen auf eine Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers 20 von 200 MW beispielsweise zwischen 40 MWh und 210 MWh (thermisch), zwischen 20 MWh und 420 MWh (thermisch) oder zwischen 80 MWh und 105 MWh (thermisch) liegt. Ebenso ist klar, dass der thermische Pufferspeichers 32 je nach Bedarf eine Wärmekapazität aufweisen kann, die bezogen auf eine Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers 20 von 200 MW beispielsweise zwischen 475 J/K und 1500 J/K, zwischen 200 J/K und 2000 J/K oder zwischen 50 J/K und 3000 J/K liegt. Auch ist klar, dass der thermische Pufferspeicher 32 einen Druckverlust aufweisen kann, der bezogen auf eine Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers 20 von 200 MW beispielsweise unter 5 Pa, unter 500 Pa oder unter 5000 Pa liegt.
Im stationären Betrieb hat der thermische Pufferspeicher 32, abgesehen vom Druckverlust, keine Wirkung auf den Kraftwerksprozess, da das Speichermaterial die selbe Temperatur wie der Materiestrom hat und damit kein Wärmeübergang und kein Be- oder Entladen des thermischen Pufferspeichers 32 stattfindet. Bei Lastwechseln jedoch, vor allem bei Hoch-, An-, Runter- und Abfahrvorgängen ändert sich die Temperatur des Materiestroms am Gasturbinenaustritt sehr schnell. Durch das dabei entstehende Temperaturgefälle zwischen Speichermaterial und Materiestrom findet ein Wärmeaustausch zwischen dem thermischen Pufferspeicher 32 und dem Materiestrom statt. Dieser Wärmeaustausch bewirkt eine Verlangsamung der Temperaturänderung des Abhitzedampferzeugers 32. Der thermische Pufferspeicher 32 wirkt vom Prinzip her somit wie eine thermische Trägheit gegenüber Temperaturveränderungen des Abhitzedampferzeugers 32.
Dies ist insbesondere deshalb relevant, da hohe Temperaturgradienten im Abhitzedampferzeuger 32 zu hohen thermischen Spannungen und damit zu Schäden beispielsweise in der Dampftrommel 22, dem Überhitzer 34, dem Dampfsammler des Überhitzers 34, sowie in der Frischdampfleitung und der Turbine führen können. Durch die Integration des hier beschriebenen thermischen Pufferspeichers 32 können diese Schäden vermieden werden, da die Pufferwirkung des thermischen Pufferspeichers 32 die Schädigung der Dampftrommel 22 und des Überhitzers 34 auch bei schnelleren Temperaturänderungen am Turbinenaustritt wirkungsvoll verhindert.
Das Funktionsprinzip des thermischen Pufferspeichers 32 ist in Fig. 2a am Beispiel eines beschleunigten Warmstartvorgangs der Turbine 12 dargestellt. Der thermische Pufferspeicher 32 hat zu Beginn des Startvorgangs eine Temperatur von 220 °C. Diese Temperatur ist eine gängige Temperatur im Abhitzedampferzeuger 20 bei Warmstartvorgängen oder nach Warmhaltung des Abhitzedampferzeugers 20. Der Startvorgang der Turbine 12 ist so ausgelegt, dass die Turbine 12 binnen 15 min Nennleistung erreicht.
Die durchgezogene schwarze Kurve in Fig. 2a stellt den Wärmestrom am Austritt aus der Turbine 12 dar. Die gestrichelte Kurve stellt den Wärmestrom am Austritt aus dem thermischen Pufferspeicher 32 dar. Zu erkennen ist, dass die gestrichelte Kurve, welche den Wärmestrom am Austritt aus dem thermischen Pufferspeicher 32 darstellt, gegenüber der durchgezogenen Kurve, welche den Wärmestrom am Austritt aus der Turbine 12 darstellt, durch die Beladung des thermischen Pufferspeichers 32 mit Wärmeenergie deutlich abgeflacht ist. Die Kurve der des Wärmestroms am Austritt aus dem thermischen Pufferspeicher 32 entspricht somit einer Kurve, wie sie ohne thermischen Pufferspeicher 32 nur bei einem deutlich langsameren Anfahren der Turbine 12 erreicht worden wäre (durchgezogen hellgrau dargestellt in Fig. 2a). Fig. 2b zeigt das gleiche Bild für einen Kaltstartvorgang. Dabei weist der Speicher zu Beginn des Anfahrvorgangs eine Temperatur von 60 °C auf.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer seriellen Einkopplung des thermischen Pufferspeichers 32 zwischen Turbine 12 und Abhitzedampferzeuger 20 des Kraftwerks 10. Dabei sind die Leitungen, welche den Materiestrom von der Turbine 12 zu dem thermischen Pufferspeicher 32 und von dem thermischen Pufferspeicher 32 zu dem Abhitzedampferzeuger 20 führen, komplett geschlossen ausgeführt. Das heißt insbesondere, dass die Leitungen keine Abzweigungen oder regelbar verschließbare Klappen aufweisen. Das bedeutet, dass der Materiestrom immer vollständig durch den thermischen Pufferspeicher 32 geführt wird. Dadurch entfällt in diesem Fall jegliche aufwändige Regelungstechnik.
Als Alternative zu der in Fig. 3 gezeigten Einkopplung zeigt Fig. 4 eine schematische Darstellung einer seriellen Einkopplung des thermischen Pufferspeichers 32 zwischen Turbine 12 und Abhitzedampferzeuger 20 des Kraftwerks 10 mit einer oder mehreren zusätzlichen Überbrückungsleitungen 40, 40'. In dieser Alternative ist der thermische Pufferspeicher 32 nur während des Anfahrvorgangs seriell zwischen Turbine 12 und Abhitzedampferzeuger 20 eingekoppelt, wie es in Fig. 4 durch die gestrichelte Linie angedeutet wird. Im auf den Anfahrvorgang folgenden Betrieb wird der Materiestrom durch die Überbrückungsleitung von der Turbine 12 zum Abhitzedampferzeuger 20 geführt. Dadurch wird in diesem Fall der Druckverlust durch den thermischen Puffer 32 während des auf den Hoch- bzw. Anfahrvorgang folgenden Betriebs reduziert.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der seriellen Einkopplung des thermischen Pufferspeichers 32 zwischen Turbine 12 und Abhitzedampferzeuger 20 des Kraftwerks 10 wie in Fig. 3, allerdings mit einem zusätzlichen Rohrkreislauf 42 zum Warmhalten des Abhitzedampferzeugers 20. Der Rohrkreislauf 42 zum Warmhalten des Abhitzedampferzeugers 20 ist mit einem Fluid gefüllt, beispielsweise Wasser, und wird aktiviert, nachdem der Materiestrom von der Turbine 12 zum Abhitzedampferzeuger 20 auf Grund des Runterfahrens der Turbine 12 zum Erliegen kommt.
Durch den Rohrkreislauf 42 wird dem Abhitzedampferzeuger 20 Wärmeenergie aus dem thermischen Pufferspeicher 32 zugeführt, um ein zu schnelles Auskühlen des Abhitzedampferzeugers 20 zu verhindern und/oder die Temperatur des Abhitzedampferzeugers 20 oberhalb einer Warmstarttemperatur zu halten. Dazu ist der Rohrkreislauf 42 über einen ersten Wärmetauscher mit dem thermischen Pufferspeicher 32 gekoppelt und über einen zweiten Wärmetauscher mit dem Abhitzedampferzeuger 20 gekoppelt.
Wenn die Turbine 12 nicht in Betrieb ist, kann über die Turbine 12, oder über ein zusätzliches, parallel zur Turbine 12 angeordnetes Gebläse Umgebungsluft durch den thermischen Pufferspeicher 32 geblasen werden. Diese Luft wird dort erwärmt, der Pufferspeicher 32 entladen und die Wärme kann im Abhitzedampferzeuger 20 auf den Wasserdampfkreis übertragen und genutzt werden. Der Luftmassenstrom kann auch so gewählt werden, dass die an den Abhitzedampferzeuger 20 übertragene Wärme genau den Wärmeverlusten des Abhitzedampferzeugers 20 an die Umgebung entspricht und dieser somit über einen längeren Zeitraum auf konstanter Temperatur gehalten wird, beispielsweise 6 h, 12 h oder 24 h. Gemäß Norm muss dieser Vorgang vor jedem Anfahren mit dem 3 -fachen Kessel volumen durchgeführt werden (Kesselspülung). Vorzugsweise erfolgt diese Kesselspülung über den thermischen Pufferspeicher 32, wodurch ein Auskühlen des Kessels beim Spülen verhindert wird. Wie in Fig. 6 gezeigt kann der thermische Pufferspeicher 32 eine matrixförmige Anordnung einer Vielzahl von Platten, insbesondere einer Vielzahl von Metallplatten 44, 46 umfassen. Der thermische Pufferspeicher 32 kann ferner eine Ummantelung (nicht gezeigt) umfassen, welche die matrixförmige Anordnung an einer Vielzahl von Seiten umschließt, so dass der thermische Pufferspeicher 32 zwei (gegenüberliegende) Öffnungen aufweist. Die Vielzahl der Metallplatten 44, 46 können in eine Vielzahl erster Metallplatten 44, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Vielzahl zweiter Metallplatten 46, die jeweils rechtwinklig zu den ersten Metallplatten 44 angeordnet sind, unterteilt sein. Der thermische Pufferspeicher 32 kann Quader- oder Kubus-förmig ausgebildet sein. Insbesondere können die ersten Metallplatten 44 horizontal übereinander gestapelt und die zweiten Metallplatten 46 vertikal nebeneinander angeordnet sein, wie in Fig. 6 gezeigt. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf Quader- oder Kubus-förmige thermische Pufferspeicher 32 beschränkt, da beispielsweise auch zylinder-förmige oder unregelmäßig geformte thermische Pufferspeicher 32 verwendet werden können. Ferner können anstatt einer rechtwinkligen Ausrichtung der ersten Metallplatten 44 und zweiten Metallplatten 46 zueinander auch Ausrichtungen zueinander in Betracht gezogen werden, die andere Winkel einschließen, bspw. 45°-Winkel.
Die Metallplatten 44, 46 können so angeordnet sein, dass durch thermische Ausdehnung zwischen den Metallplatten 44, 46 keine Spannungskräfte entstehen. Insbesondere können die Metallplatten 44, 46 so angeordnet sein, dass sie gleitend aneinander angelagert sind. Beispielsweise können die Metallplatten 44, 46 anstatt miteinander verschweißt oder in anderer Form fest verbunden zu sein, geschlitzt und ineinander gesteckt sein, wie in der rechten Hälfte von Fig. 6 beispielhaft für eine erste Metallplatte 44 und eine zweite Metallplatte 46 dargestellt, um eine freie Wärmedehnung der einzelnen Metallplatten 44, 46 zu ermöglichen. Insbesondere können, die ersten Metallplatten 44 jeweils mit einer Vielzahl parallel verlaufender Schlitz versehen sein, wobei jeder Schlitz dazu eingerichtet und vorgesehen ist eine zweite Metallplatte 46 aufzunehmen, indem die zweite Metallplatte 46 in einen Schlitz der ersten Metallplatte 44 eingeschoben wird. Die Metallplatten 44, 46 können an einer Seite der Anordnung fest gelagert sein, so dass entsprechende Enden der Metallplatten 44, 46 bei Ausdehnung der selbigen in ihrer Position verbleiben. Ferner können mehrere oder alle Seiten der Anordnung beweglich gelagert sein. Durch die in Fig. 6 gezeigte Anordnung der Metallplatten 44, 46 entsteht eine Vielzahl paralleler rechteckigen Kanäle. Die Kantenlängen a und b der Kanäle können gleich oder unterschiedlich sein und beispielsweise jeweils im Bereich von 2 bis 20 cm liegen. Die Plattendicken d und e können ebenfalls gleich oder unterschiedlich sein und beispielsweise jeweils im Bereich zwischen 1 bis 20 mm liegen. Der thermische Pufferspeicher 32 kann in Strömungsrichtung des Abgases (Richtung der Länge L) mehrere Abschnitte (der matrixförmigen Anordnung) aufweisen, die beispielsweise Längen L von 10 cm bis 10 m haben. Die Abschnitte können mit geringem Abstand zwischen den Abschnitten (der jedoch ausreichend groß sein muss um die Wärmedehnung der Abschnitte auszugleichen) im Rauchgaskanal angeordnet sein, ohne miteinander verbunden zu sein. Die Anzahl der Kanäle in der Matrix, sowie die Gesamtanzahl der Abschnitte können auf das Einsatzprofil des thermischen Pufferspeichers 32 und das lokale Platzangebot für den thermischen Pufferspeicher abgestimmt sein.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Kraftwerk
12 Turbine
14 Verdichter
16 Generator
18 Brennkammer
20 Abhitzedampferzeuger
22 Dampftrommel
24 Dampfturbine
26 Generator
28 Kondensator
30 Kamin
32 Thermischer Pufferspeicher 34 Überhitzer
36 Verdampfer
38 Economizer
40 Überbrückungsleitung
40' Überbrückungsleitung 42 Rohrkreislauf
44 Metallplatte
46 Metallplatte

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Begrenzung der Änderung eines durch einen Materiestrom von einer Turbine (12) zu einem Abhitzedampferzeuger (20) induzierten Wärmestroms in einem Kraftwerk (10), bei dem: der Materiestrom von der Turbine (12) durch einen thermischen Pufferspeicher (32) zu dem Abhitzedampferzeuger (20) geführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Führen des Materiestroms durch den thermischen Pufferspeicher (32) während eines Hoch- oder Anfahrvorgangs und/oder eines Herunter- oder Abfahrvorgangs der Turbine (12) stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Materiestrom während mindestens 25%, vorzugsweise mindestens 50% und besonders vorzugsweise 100% der Dauer des Hochoder Anfahrvorgangs der Turbine (12) kontinuierlich durch den thermischen Pufferspeicher (32) geführt wird, und der Hoch- oder Anfahrvorgang abgeschlossen ist, wenn die Turbine (12) eine vorbestimmte Leistungsstufe erreicht hat, in der die Turbine (12) für mindestens 10 min, vorzugsweise für mindestens 30 min und besonders vorzugsweise für mindestens 60 min verbleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die vorbestimmte Leistungsstufe nicht weniger als 25% der Nennleistung, vorzugsweise nicht weniger als 50% der Nennleistung, besonders vorzugsweise nicht weniger als 75% der Nennleistung beträgt, und der Hochoder Anfahrvorgang der Turbine (12) nicht länger als 30 min, vorzugsweise nicht länger als 15 min dauert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers (32) so auf die Turbine (12) abgestimmt ist, dass der Anstieg des Wärmestroms am Ausgang des thermischen Pufferspeichers (32) gegenüber dem Anstieg am Austritt der Turbine (12) derart verzögert wird, dass der Wärmestrom am Ausgang des thermischen Pufferspeichers (32) am Ende des Hoch- oder Anfahrvorgangs der Turbine (12) mehr als 20%, vorzugsweise mehr als 40% und besonders vorzugsweise mehr als 60%», aber nicht mehr als 90%>, vorzugsweise nicht mehr als 80% und besonders vorzugsweise nicht mehr als 70% des Wertes am Austritt der Turbine (12) erreicht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers (32) so auf die Turbine (12) abgestimmt ist, dass der Betrag des Gradienten des Wärmestromes am Ausgang des thermischen Pufferspeichers (32) derart gedämpft wird, dass der Betrag des Gradienten des Wärmestroms am Ausgang des thermischen Pufferspeichers (32) während des Hoch- oder Anfahrvorgangs oder während des Herunter- oder Abfahrvorgangs im Durchschnitt kleiner als 5 %/min, vorzugsweise kleiner als 2 %/min und besonders vorzugsweise kleiner als 1 %/min ist, wobei sich die Prozentangaben auf den Wärmestrom bei Nennleistung beziehen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers (32) gleich α■ thermische Nennleistung des Abhitzedampferzeugers ist, wobei α größer lxl0A-3 und vorzugsweise größer als 1χ10Λ-2 und kleiner als lxl 0A3 und vorzugsweise kleiner als lxl0A2 ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Kraftwerk (10) ein GuD- Kraftwerk ist und der Materiestrom Rauchgas ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kraftwerk (10) Leitungen aufweist, welche den Materiestrom von der Turbine (12) zu dem thermischen Pufferspeicher (32) und von dem thermischen Pufferspeicher (32) zu dem Abhitzedampferzeuger (20) führen, wobei die Leitungen keine Abzweigungen und/oder keine regelbar verschließbaren Klappen aufweisen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den weiteren Schritten:
Bestimmen, dass der thermische Pufferspeicher (32) eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat; und
Führen des Materiestroms durch eine parallel zu dem thermischen Pufferspeicher (32) angeordnete Überbrückungsleitung (40), wobei ein Druckverlust durch die Überbrückungsleitung (40) kleiner ist, als ein Druckverlust durch den thermischen Pufferspeicher (32).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die vorbestimmte Temperatur eine Betriebstemperatur des thermischen Pufferspeichers (32) bei Nennleistung des Kraftwerks (10) ist und der Druckverlust durch die Überbrückungsleitung (40) weniger als 75%, vorzugsweise weniger als 50% des Druckverlusts durch den thermischen Pufferspeicher (32) beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den weiteren Schritten: Herunterfahren der Turbine (12); und
Zuführen von Wärmeenergie aus dem thermischen Pufferspeicher (32) an den Abhitzedampferzeuger (20), vorzugsweise durch Führen von Umgebungsluft von der Turbine (12) oder von einem zusätzlichen, parallel zur Turbine (12) angeordneten Gebläse durch den thermischen Pufferspeicher (32) zum Abhitzedampferzeuger (20).
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Kraftwerk (10) einen mit einem Fluid gefüllten Rohrkreislauf (42) umfasst, welcher über einen ersten Wärmetauscher mit dem thermischen Pufferspeicher (32) gekoppelt ist und über einen zweiten Wärmetauscher mit dem Abhitzedampferzeuger (20) gekoppelt ist.
13. Kraftwerk ( 10), umfassend: eine Turbine (12); einen thermischen Pufferspeicher (32); und einen Abhitzedampferzeuger (20); wobei im Betrieb Wärmeenergie mittels eines Materiestroms von der Turbine (12) durch den thermischen Pufferspeicher (32) zum Abhitzedampferzeuger (20) geführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers (32) gleich α■ thermische Nennleistung des Abhitzedampferzeugers · - ist, wobei größer als lxlOA-3 und vorzugsweise größer als lxlOA-2 und kleiner als 1χ10Λ3 und vorzugsweise kleiner als lxl 0Λ2 ist.
Kraftwerk (10), umfassend: eine Turbine (12); einen thermischen Pufferspeicher (32); und einen Abhitzedampferzeuger (20); wobei im Betrieb Wärmeenergie mittels eines Materiestroms von der Turbine (12) durch den thermischen Pufferspeicher (32) zum Abhitzedampferzeuger (20) geführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität des thermischen Pufferspeichers (32) so auf die Turbine (12) abgestimmt ist, dass für den Fall, dass die Turbine (12) aus einem Kaltstart innerhalb von 10 min bis 30 min auf Nennlast hochgefahren wird, ein Anstieg eines Wärmestroms am Ausgang des thermischen Pufferspeichers (32) derart verzögert wird, dass dieser frühestens nach 30 min, vorzugsweise frühestens nach 60 min und besonders vorzugsweise frühestens nach 120 min 90% des Gleichgewichts wertes in J/s erreicht.
15. Kraftwerk (10) nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Kraftwerk (10) ein GuD- Kraftwerk ist und der Materiestrom Rauchgas ist.
16. Kraftwerk (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Kraftwerk (10) Leitungen aufweist, welche den Materiestrom von der Turbine (12) zu dem thermischen Pufferspeicher (32) und von dem thermischen Pufferspeicher (32) zu dem Abhitzedampferzeuger (20) führen, wobei die Leitungen keine Abzweigungen und/oder keine regelbar verschließbaren Klappen aufweisen.
17. Kraftwerk (10) nach Anspruch 13 bis 15, wobei das Kraftwerk (10) eine oder mehrere parallel zu dem thermischen Pufferspeicher (32) angeordnete Überbrückungsleitungen (40) aufweist, welche dazu eingerichtet sind, den Materiestrom zu führen, wenn der thermische Pufferspeicher (32) eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, wobei ein Druckverlust durch die eine oder die mehreren Überbrückungsleitungen (40) kleiner ist, als ein Druckverlust durch den thermischen Pufferspeicher (32).
18. Kraftwerk (10) nach Anspruch 17, wobei die vorbestimmte Temperatur eine Betriebstemperatur des thermischen Pufferspeichers (32) bei Nennleistung des Kraftwerks (10) ist und der Druckverlust durch die eine oder die mehreren Überbrückungsleitungen (40) weniger als 75%, vorzugsweise weniger als 50% des Druckverlusts durch den thermischen Pufferspeicher (32) beträgt.
19. Kraftwerk (10) nach einem der Atisprüche 13 bis 18, wobei das Kraftwerk (10) ferner dazu eingerichtet ist, dem Abhitzedampferzeuger (20) beim zum Erliegen kommen des Materiestroms Wärmeenergie aus dem thermischen Pufferspeicher (32) zuzuführen, um ein zu schnelles Auskühlen des Abhitzedampferzeugers (20) zu verhindern und/oder die Temperatur des Abhitzedampferzeugers (20) oberhalb einer Warmstarttemperatur zu halten.
20. Kraftwerk (10) nach Anspruch 19, wobei das Kraftwerk (10) einen mit einem Fluid gefüllten Rohrkreislauf (42) umfasst, welcher über einen ersten Wärmetauscher mit dem thermischen Pufferspeicher (32) gekoppelt ist und über einen zweiten Wärmetauscher mit dem Abhitzedampferzeuger (20) gekoppelt ist.
Kraftwerk (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei der thermische Pufferspeicher (32) eine Vielzahl erster parallel angeordneter Platten (44) und eine Vielzahl zweiter parallel angeordneter Platten (46) aufweist, wobei die ersten Platten (44) und die zweiten Platten (46) eine Anordnung bilden, die eine Vielzahl paralleler Kanäle umfasst.
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