DE10155508C5

DE10155508C5 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie

Info

Publication number: DE10155508C5
Application number: DE10155508A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Gericke
Original assignee: MAN Turbo AG
Current assignee: Everllence SE
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2021-11-14
Also published as: PL350815A1; PL202912B1; DE10155508A1; DE10155508C2

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Entladung eines Erdgasspeichers mit Hilfe einer Entspannungsturbine (29), Dampfturbine (10) und einer Gasturbine (1), der eine Brennkammer (3) vorgeschaltet und ein Abhitzekessel (5) nachgeschaltet ist, der mit von einem Wasser-Dampf-Kreislauf durchströmten und als Speisewasservorwärmer (8), Verdampfer (7) und Überhitzer (6) ausgebildeten Heizflächen versehen ist, wobei unter hohem Eingangsdruck stehendes Erdgas erwärmt und anschließend in der Entspannungsturbine (29) auf den Verbraucherdruck entspannt und zu einem Anteil in der Brennkammer (3) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von dem in den Heizflächen des Abhitzekessels (5) erhitzten Wasser-Dampf-Kreislauf ein Teilstrom abgezweigt wird, dass das in dem Speisewasservorwärmer (8) vorgewärmte Speisewasser in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird, dass der erste Teilstrom dem Verdampfer (7) des Abhitzekessels (5) zugeführt wird und dass mit dem zweiten Teilstrom das unter dem hohen Eingangsdruck stehende Erdgas in einem Gas/Wasser-Wärmetauscher (33) erwärmt wird, dass die dem Abhitzekessel (5)...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Entladung eines Erdgasspeichers mit Hilfe einer Entspannungsturbine, einer Dampfturbine und einer Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1, 8 und 9.
Der steigende Verbrauch von elektrischer Energie in den Industrieländern wird zunehmend durch Erdgas gedeckt. Über große Verbundnetze wird das Erdgas zu den einzelnen industriellen Verbrauchern gefördert, wobei der Leitungsdruck durch Kompressorstationen auf etwa 80 bar konstant gehalten wird. Für die industriellen erdgasgefeuerten kombinierten Gas/Dampfturbinen-Anlagen muss das Erdgas auf das vorhandene Druckniveau in der Gasturbinenbrennkammer reduziert werden. Enthält der Abhitzekessel der Anlage aus prozessbedingten Gründen noch eine Zusatzfeuerung, muss hierbei der entsprechende Druck des Erdgasmassenstromes auf etwa 2 bar reduziert werden.
Durch die Druckreduzierung mit einer eventuellen vorherigen elektrischen Aufheizung des Erdgases werden die geforderten Vordrücke der Verbraucher ohne Vereisung der Rohrleitungsarmaturen problemlos erreicht. Diese Art der Druckreduzierung ist mit hohen Verlusten verbunden und stellt im Sinne der öffentlichen Diskussionen um CO₂-Reduktionspotentiale eine Energievernichtung dar.
Durch eine Entspannung des Erdgases in einer Entspannungsturbine (Expander) kann das hohe Druckpotential des Erdgases in mechanische Energie umgewandelt werden. Problematisch ist dabei der starke Temperaturabfall nach der Entspannung, wodurch es an den der Entspannungsturbine nachgeschalteten Rohrleitungsarmaturen aufgrund des Joule-Thomson-Effektes leicht zu Vereisungen kommen kann.
Durch ein entsprechend hohes Aufheizen des Erdgases vor der Entspannung kann sowohl die Vereisungsgefahr minimiert, als auch eine höhere elektrische Leistung bei der Expansion erzielt werden.
Aus der DE-PS 44 16 359 ist eine Hochtemperatur-Erdgasentspannungsanlage bekannt, bei der die Temperaturerhöhung des unter hohem Druck stehenden Erdgases im Wärmetausch mit dem Turbinenabgas einer vorgeschalteten Gasturbinenanlage erfolgt. Dabei kann das Erdgas in einem Gas/Gas-Wärmetauscher oder über einen mit Thermoöl betriebenen Zwischenkreislauf eines Abhitzekessels erwärmt werden. Nachteilig bei dem Gas/Gas-Wärmetauscher ist, dass bei eventuellen Undichtigkeiten auf der Erdgasseite eine Feuergefahr wegen der hoher Temperatur und des hohen Sauerstoffanteils des Turbinenabgases besteht. In der DE-PS 44 16 359 wird auf eine mögliche Einbindung der Erdgas-Entspannungsturbine in einen kombinierten, eine Gasturbine und einen Abhitzedampferzeuger umfassenden Gas/Dampfturbunen-Prozess nicht eingegangen.
Aus der US-PS 46 93 072 ist eine kombinierte Gas-Dampf-Kraftanlage bekannt, die mit unter hohem Eingangsdruck stehendem Erdgas betrieben wird. In dieser Anlage wird das Erdgas durch Entnahmedampf oder Abdampf der Dampfturbine erwärmt. Damit wird der Wirkungsgrad des kombinierten Gas/Dampfturbinen-Prozesses reduziert. Bei einer Teillastfahrweise der Dampfturbine sinken jedoch an der Entnahmestelle die Dampfdrücke, wodurch das Erdgas geringer aufgewärmt wird und die Gefahr einer Vereisung hinter der Entspannungsturbine entsteht. Ferner besteht keine Möglichkeit, die Temperatur des Erdgases zu regeln.
Aus der VGB Kraftwerkstechnik 63, Heft 5, Mai 1983 sind Erdgasentspannungsturbinen zur Energierückgewinnung für erdgasbefeuerte Großkraftwerke bekannt, bei denen über einen Eindruck-Abhitzekessel Hochdruckdampf erzeugt wird, der in einer Entnahme-Kondensations-Turbine elektrischen Strom erzeugt. Aus dem Niederdruckteil der Dampfturbine wird ein Dampf-Teilstrom zur Erdgasvorwärmung ausgekoppelt. Der Dampf-Teilstrom überträgt durch Kondensation die notwendige Wärme an das vorzuwärmende Erdgas über ein Wärmeverschiebesystem mit Hochdruckwasser als Zwischenmedium. Dabei müssen wegen optimaler Grädigkeit an den Wärmetauschern erhebliche Heißwassermengen umgewälzt werden, was zu einem erhöhten Eigenbedarf führt.
Die in der VGB Veröffentlichung dargestellte Art der Vorwärmung der geringen Brennstoffmenge der Gasturbine erfordert sehr geringe Gaseintrittsparameter (Druck und Temperatur), da ansonsten eine optimale Beschaufelung in den ersten Stufen der Entspannungsturbine kaum realisierbar ist. Bei Erdgasspeichern liegen dagegen die Gaseintrittsparameter bis zu vierfach höher und die zu expandierenden Erdgasmengen sogar bis zu dreißigfach höher, wodurch bei gleichem Expansions-Enddruck eine weitaus höhere Vorwärmung des Erdgases notwendig ist.
Weiter ist aus der EP 0 391 082 A2 eine kombinierte Gas/Dampfturbinenanlage bekannt, bei welcher der Brennstoff vorgewärmt wird, der einer Verbrennungsturbine zugeführt wird, wobei ein erhöhter Speisewasserstrom durch ein Ekonomiserteil eines Abhitzedampferzeugers vorgesehen ist. Der überschüssige Speisewasserstrom, der für die Aufrechterhaltung einer Sattdampferzeugung in einem Verdampferteil nicht erforderlich ist, wird über einen Wärmetauscher geführt, in dem der Brennstoff für die Gasturbine vorgewärmt wird. Dabei wird zusätzliche Wärme aus dem Abhitzesystem entzogen. Auf diese Weise wird der Gesamtwirkungsgrad des Systems um 0,5% bis 1% gesteigert.
Aus der DE 195 12 466 C1 ist eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit einem Abhitzedampferzeuger bekannt, in dem die im entspannten Arbeitsmittel aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die in einen Wasser-Dampf-Kreislauf geschaltete Dampfturbine genutzt wird. Dabei wird kondensierter Dampf aus der Dampfturbine dem Wasser-Dampf-Kreislauf als Kondensat zugeführt. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades unabhängig vom eingesetzten Brennstoff für die Gasturbine wird bei Verwendung von Öl als Brennstoff für die Gasturbine ein solcher Teilstrom aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf zur Kondensatvorwärmung herangezogen, der bei Verwendung von Gas als Brennstoff für die Gasturbine zur Brennstoffvorwärmung verwendet wird. Dazu ist eine Wärmetauscher zur wahlweisen Vorwärmung entweder des Gasturbinenbrennstoffs oder des Kondensats mittels des Teilstroms vorgesehen.
Die bekannten Anlagen betreffen im wesentlichen Gas/Dampfturbinenanlagen mit Abhitzedampferzeugern. Bei solchen Anlagen soll der Wirkungsgrad gesteigert werden. Die technischen Schwierigkeiten, die bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus der Entladung eines Erdgasspeichers entstehen, sind in den bekannten Druckschriften nicht erwähnt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entspannung des Erdgases in einer Entspannungsturbine so in einem Gas/Dampfturbinen-Prozess einzubinden, dass es an den der Entspannungsturbine nachgeschalteten Rohrleitungsarmaturen nicht zu Vereisungen kommt und die Stromerzeugung oder Abwärmenutzung des eigentlichen Gas/Dampfturbinen-Prozesses nicht beeinflusst wird.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist jeweils Gegenstand der Ansprüche 8 und 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Wärmeauskopplung über einen Teilstrom des in den Heizflächen des Abhitzekessels erhitzten Wasser-Dampf-Kreislaufes als Zwischenmedium für die Erwärmung des Hochdruck-Erdgases. Dazu dient das Speisewasser des Hochdruckkreislaufes oder der in dem Niederdruckteil eines Zweidruck-Dampferzeugungssystemes erzeugte Niederdruckdampf. Durch die Integration dieses Zwischenkreislaufes zur Erwärmung des Erdgases am kalten Ende des Abhitzekessels wird die Stromerzeugung oder Abwärmenutzung des eigentlichen Gas/Dampfturbinen-Prozesses nicht beeinflusst. Durch das hohe Verhältnis von Turbinenabgasmenge zur Erdgasmenge (von etwa 45:1 z. B. bei 400 MW-Blöcken mit einer Gasturbinenleistung von 250 MW und einer Dampfturbinenleistung von 150 MW) ist selbst bei höchster Erdgasvorwärmung der thermodynamische Einfluss auf das gesamte Abhitzesystem äusserst gering. Außerdem kann durch die Nutzung des Abwärmepotentials am kalten Ende des Abhitzekessels das Erdgas je nach wärmetechnischer Schaltung des Abhitzekessels auf höchstmögliche Temperaturen aufgewärmt werden. Die sich nach der Entspannung einstellende Temperatur des Erdgases stellt je nach Höhe eine Gasturbinen-Wirkungsgradsteigerung dar, da dadurch ein Teil der Abwärme in die Brennkammer der Gasturbine zurückgeführt wird.
Erfolgt die Erwärmung des Erdgases durch den Niederdruckdampf des Zweidruck-Dampferzeugungssystemes, so wird dieser Niederdruckteil im Festdruckbetrieb gefahren. Dadurch kann jede gewünschte Erdgastemperatur unabhängig von der Dampfturbinenlast eingeregelt werden.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 das Schema eines Gas/Dampfturbinen-Prozesses mit einer Entspannungsturbine,
2 das Schema eines Gas/Dampfturbinen-Prozesses mit einer Entspannungsturbine gemäß einer anderen Ausführungsform
3 ein Schaltungsschema für eine Regelung des Durchsatzes des Speisewassers durch den Speisewasservorwärmer und den Gas/Wasser-Wärmetauscher und
4 und 5 jeweils das Schema eines Gas/Dampfturbinen-Prozesses mit einer Entspannungsturbine gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Eine Gasturbinenanlage besteht aus einer Gasturbine 1, einem Kompressor 2 zur Verdichtung von Verbrennungsluft, einer Brennkammer 3 zur Erzeugung eines Heißgases und aus einem Generator 4 zur Stromerzeugung. Die Gasturbine 1, der Generator 4 und der Kompressor 2 können auf einer gemeinsamen Welle oder auf mehreren Wellen angeordnet sein.
Der Gasaustritt des Gasturbine 1 ist mit einem Abhitzekessel 5 zur Dampferzeugung verbunden. In dem Abhitzekessel 5 sind gemäß 1 in Strömungsrichtung der Turbinenabgase hintereinander die Heizflächen eines Überhitzers 6, eines Verdampfers 7 und eines Speisewasservorwärmers 8 eines Hochdrucksystemes angeordnet. An den Überhitzer 6 ist eine Dampfleitung 9 angeschlossen, die zu einer Dampfturbine 10 geführt ist. Die Dampfturbine 10 ist mit dem Generator 4 gekoppelt.
Der Ausgang der Dampfturbine 10 ist mit einer Abdampfleitung 11 verbunden, die zu einem Kondensator 12 geführt ist. In dem Kondensator 12 wird der Abdampf durch einen Kühlkreislauf kondensiert, der durch einen Kühlturm 13 geführt ist. Das Kondensat wird über eine Kondensatleitung 14, in der eine Förderpumpe 15 angeordnet ist, zu einem Entgaser 16 gefördert. Der Entgaser 16 wird mit Anzapfdampf betrieben, der der Dampfturbine 10 über eine Anzapfleitung 17 entnommen wird. Von dieser Anzapfleitung 17 kann eine durch ein Absperrventil 18 absperrbare Leitung 19 abgezweigt werden, die zu einem Wärmeverbraucher 20 geführt ist.
An den Entgaser 16 ist eine Speisewasserleitung 21 angeschlossen, die an den in dem Abhitzekessel 5 angeordneten Speisewasservorwärmer 8 angeschlossen ist. In der Speisewasserleitung 21 ist eine Speisewasserpumpe 22 angeordnet, die den Druck des Speisewassers erhöht. Die Speisewasserleitung 21 ist an einen in der Kondensatleitung 14 angeordneten Kondensatvorwärmer 23 angeschlossen, in dem ein Wärmetausch zwischen dem Kondensat und dem Speisewasser stattfindet. Dabei wird das Kondensat bis auf einige Kelvin unterhalb der Temperatur des Speisewassers erwärmt, wobei gleichzeitig die Speisewassertemperatur beim Eintritt in den Speisewasservorwärmer 8 am kalten Ende des Abhitzekessels 5 abgesenkt wird. Dies ist für die später beschriebene Erwärmung des der Brennkammer 3 zugeführten Erdgases in einem Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 von Bedeutung. Es bleibt nämlich einerseits die Dampfleistung des kombinierten Gas-/Dampfturbinen-Prozesses erhalten, und andererseits wird die ausnutzbare Temperaturdifferenz in dem Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 erhöht.
An das Austrittsende des Speisewaservorwärmers 8 sind zwei Zweigleitungen 24, 25 angeschlossen. Die erste Zweigleitung 24 mündet in den Wasserraum einer der Wasser/Dampf-Trennung dienenden Dampftrommel 26 ein, die mit dem Verdampfer 7 und dem Überhitzer 6 in Verbindung steht.
Die Brennkammer 3 der Gasturbine 1 wird mit Erdgas beheizt, das über eine Versorgungsleitung 27 angeliefert wird und unter einem hohen Eingangsdruck von etwa 80 bar steht. Die Versorgungsleitung 27 ist über eine Hochdruckgasleitung 28 mit dem Eintritt einer Entspannungsturbine 29 verbunden, deren Austritt über eine Niederdruckgasleitung 30 an die Brennkammer 3 angeschlossen ist. In der Hochdruckgasleitung 28 und in der Niederdruckgasleitung 30 sind Absperrventile 18 angeordnet. Die Entspannungsturbine 29 ist mit einem weiteren Generator 31 zur Stromerzeugung gekoppelt. In der Entspannungsturbine 29 wird der hohe Eingangsdruck des Erdgases unter Gewinnung von elektrischer Energie bis auf den Druck der Brennkammer 3 abgebaut. Von der Niederdruckleitung 30 kann eine durch ein Absperrventil 18 absperrbare Leitung 32 abgezweigt werden, die zu einem zusätzlichen Erdgasverbraucher geführt ist.
In der Hochdruckgasleitung 28 ist der als Druckbehälter ausgebildete Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 angeordnet, in dem das Erdgas erwärmt wird, um eine mögliche Vereisung der Ventile in der Niederdruckgasleitung 30 zu vermeiden. Als Wärmeträger dient das in dem Speisewasservorwärmer 8 des Abhitzekessels 5 vorgewärmte Speisewasser. Zu diesem Zweck ist die zweite von dem Austritt des Speisewasservorwärmers 8 abzweigende Zweigleitung 25 an den Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 angeschlossen. In diesem Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 wird das vorgewärmte Speisewasser unter Erwärmung des Erdgases bis auf eine Temperatur unterhalb der des Entgasers 16 abgekühlt. An den speisewasserseitigen Austritt des Gas/Wasser-Wärmetauschers 33 ist eine Rückführleitung 34 angeschlossen, in der ein Druckreduzierventil 35 angeordnet ist. Die Rückführleitung 34 ist zu dem Entgaser 16 zurückgeführt.
Der Durchsatz des Speisewassers durch den Speisewasservorwärmer 8 und den Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 ist größer als der Dampfleistung des kombinierten Gas-/Dampfturbinen-Prozesses entspricht. Durch diesen höheren Speisewasserdurchsatz kann bei gleicher Speisewasseraufwärmung die Abgastemperatur am Austritt des Abhitzekessels 5 je nach vorzuwärmender Erdgasmenge erheblich gesenkt werden.
Vor dem Eintritt in die Entspannungsturbine 29 zweigt von der Hochdruckgasleitung 28 eine die Entspannungsturbine 29 umgehende Bypassleitung 36 ab. Die Bypassleitung 36, in der ein Absperrventil 18 und ein Druckreduzierventil 35 angeordnet sind, mündet in die Niederdruckgasleitung 30 ein.
Von der Versorgungsleitung 27 zweigt parallel zu der Entspannungsturbine 29 eine durch ein Absperrventil 18 absperrbare Anfahrleitung 37 ab. In der Anfahrleitung 37 sind ein elektrischer Aufheizer 38 zur Erwärmung des unter Druck stehenden Erdgases und ein Anfahrexpander 39 zur Entspannung des Erdgases angeordnet. Der Anfahrexpander 39 ist mit dem Kompressor 2 der Gasturbinenanlage gekoppelt. Über eine mit einem Druckreduzierventil 35 versehene Leitung 40 ist die Anfahrleitung 37 außerdem mit der Niederdruckgasleitung 30 verbunden.
Wie in der 2 gezeigt ist, kann der Abhitzekessel 5 auch mit einem Zweidrucksystem ausgerüstet werden, wobei jedes Teilsystem (Hochdrucksystem und Niederdrucksystem) einen eigenen Verdampfer 7, 7' und einen eigenen Überhitzer 6, 6' aufweist. Ein zweigeteilter Speisewasservorwärmer 8 ist nur auf der Hockdruckseite vorgesehen. Der Überhitzer 6' des Niederdrucksystems ist mit dem Niederdruckteil der Dampfturbine 10 verbunden. Der Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 zur Aufwärmung des Erdgases ist an den Speisewasservorwärmer 8 des Hochdrucksystemes angeschlossen.
Der Abhitzekessel 5 kann auch mit einer Zusatzfeuerung 41 versehen sein, die mit Erdgas von geringerem Druck befeuert wird. Die Entspannung dieses Erdgasstromes erfolgt in einer zweiten Entspannungsturbine 42, die der ersten Entspannungsturbine 29 nachgeschaltet und über Kupplungen mit dem weiteren Generator 31 verbunden ist. Der Ausgang der zweiten Entspannungsturbine 42 ist über eine durch ein Absperventil 18 absperrbare Gasleitung 43 mit der Zusatzfeuerung 41 verbunden.
Im Falle eines Gasturbinenschnellschlusses wird der kombinierte Gas-/Dampfturbinen-Block im Frischluftbetrieb gefahren. Über ein Frischluftgebläse 47 und über die vorhandene Zusatzfeuerung 41 werden bei dem so genannten simulierten Abhitzebetrieb die gleichen Abgasparameter wie im Zusatzfeuerungsbetrieb erreicht. Die Feuerungsleistung der Zusatzfeuerung 41 liegt dabei in der Grössenordnung des Erdgaseinsatzes für die Gasturbine 1. Damit kann bei diesem Störfall die Erdgaserwärmung ohne Unterbrechung gewährleistet werden.
Die Regelung der Speisewassermengen zu dem Speisewasservorwärmer 8 und dem Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 erfolgt über die in 3 dargestellte 3-Komponentenregelung. Dabei ist in der ersten, von dem Speisewasservorwärmer 8 zu der Dampftrommel 26 führenden Zweigleitung 24 eine Ventilanordnung 44 vorgesehen. Diese Ventilanordnung 44 regelt die dem Abhitzekessel 5 zufließende Speisewassermenge entsprechend der Lastanforderung des Abhitzekessels 5. In die zweite zu dem Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 führende Zweigleitung 25 ist ein Druckbehälter 45 eingefügt, der mit einer Wasserstandsregelung 46 versehen ist. Diese Wasserstandsregelung 46 hält die durch den Gas/Wasser- Wärmetauscher 33 fließende Speisewassermenge auf einen konstanten Wert.
Für die Störfallbetrachtung sind zwei Betriebsfälle maßgebend: der Störfall der Entspannungsturbine 29 und der Störfall des Gas/Wasser-Wärmetauschers 33. In dem Störfall der Entspannungsturbine 29 wird das aufgewärmte Erdgas über die Bypassleitung 36 an der Entspannungsturbine 29 vorbeigeführt und über die Druckreduzierventile 35 (Drosselung) dem Verbrauchernetz oder der Brennkammer 3 der Gasturbine 1 zugeführt. Die Rückführung der anteiligen Abwärme führt dabei zu einem höheren Gasturbinen-Wirkungsgrad. Die Wärmeeinkopplung in den Kreislauf zur Erwärmung des Erdgases bleibt dabei ständig im Eingriff. In dem Störfall des Gas/Wasser-Wärmetauschers 33 wird das Erdgas der Versorgungsleitung 27 direkt entnommen. Über den elektrischen Aufheizer 38 wird der bei der Drosselung in dem Druckreduzierventil 35 entstehende Temperaturabfall so kompensiert, dass keine Vereisungsgefahr an den nachgeschalteten Armaturen besteht. Durch die fehlende Wärmeauskopplung für den Erdgaskreislauf steigt die Abgastemperatur am Austritt des Abhitzekessels 5 um etwa 100 K an.
Bei Erdgasspeicheranlagen liegen die Verhältnisse etwas anders, da die zu expandierenden Erdgasmengen erheblich größer sind als die Turbinenabgasmengen. Hier wird in Zeiten des geringsten Verbrauches in sogenannten Kavernen Erdgas eingespeichert, und bei höherem Erdgasbedarf erfolgt die Entladung des Speichers. Die Be- und Entladung erfolgt in zeitlich gleich langen Zyklen (jeweils ca. 4000 h/a).
Für die Beladung des Speichers werden oft elektromotorisch betriebene Verdichter eingesetzt, welche die notwendige elektrische Antriebsenergie aus dem öffentlichen Netz beziehen. Daneben wird zur Absicherung (Ausfall des öffentlichen Netzes) parallel eine Kombianlage mit gleicher elektrischer Leistung installiert. Die Höhe der Gasturbinenleistung wird dabei weitestgehend durch die erzeugte Abgasmenge wegen der Erdgaserwärmung bestimmt, wobei Gasturbinen mit geringer spezifischer Leistung (hohe Abgasmenge bei gleicher elektrischer Leistung) sich besonders anbieten.
Bei der Entladung des Erdgasspeichers über die Versorgungsleitung 27 wird in der Entspannungsturbine 29 mehr Erdgas entspannt, als in der Brennkammer 3 der Gasturbine 1 verbrannt wird. Das überschüssige entspannte Erdgas wird über die Leitung 32 einem Erdgasverbraucher zugeführt. Um diese größere Menge an Erdgas zu erwärmen, dient die in der 4 dargestellte Schaltung. Von der von dem Entgaser 16 zu dem Speisewasservorwärmer 8 führenden Speisewasserleitung 21 ist vor deren Eintritt in den Speisewasservorwärmer 8 eine dritte Zweigleitung 48 abgezweigt. Diese dritte Zweigleitung 48 ist mit der ersten Zweigleitung 24 verbunden, die den Austritt des Speisewasservorwärmers 8 mit der Dampftrommel 26 verbindet. In der ersten Zweigleitung 24 und in der dritten Zweigleitung 48 ist jeweils vor der Verbindungsstelle der beiden Zweigleitungen 24, 48 ein Regelventil 49, 50 angeordnet. Weiterhin ist in der ersten Zweigleitung 24 vor deren Eintritt in die Dampftrommel ein Regelventil 51 vorgesehen. Je nach der Stellung der Regelventile 49, 50, 51 kann der Speisewasservorwärmer 8 so mit Speisewasser beaufschlagt werden, dass das vorgewärmte Speisewasser wie bei den Schaltungen nach den 1 und 2 sowohl dem Verdampfer 8 über die Dampftrommel 26 als auch zur Erwärmung des unter erhöhtem Druck stehenden Erdgases dem Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 zugeführt werden. Hierbei ist das Regelventil 49 in der ersten Zweigleitung 24 geöffnet und das Regelventil 50 in der dritten Zweigleitung 48 geschlossen. Außerdem wird es möglich, das in dem Speisewasservorwärmer 8 vorgewärmte Speisewasser nur zur Erwärmung des Erdgases zu verwenden. In diesem Fall wird die Dampftrommel 26 bei geschlossenem Regelventil 49 und geöffnetem Regelventil 50 und 51 über die dritte Zweigleitung 48 mit nicht vorgewärmtem Speisewasser gespeist. Reicht die Leistung der Gasturbine 1 und des Abhitzekessels 5 für die notwendige elektrische Gesamtleistung dann nicht aus, so wird über die Zusatzfeuerung 41 die Leistung der Dampfturbine 10 angehoben werden.
Gemäß 4 ist in Strömungsrichtung der Turbinenabgase hinter dem Speisewasservorwärmer ein Wärmetauscher 52 zur Erzeugung von Fernwärme vorgesehen.
Liegen bei der Entladung des Erdgasspeichers die Betriebsdrücke bei etwa 120 bis 140 bar, so muss aus apparativen Gründen die Aufheizung des Erdgases auf eine andere Weise erfolgen. In vorteilhafter Weise können dabei die Heizflächenrohre des Wärmetauschers 33 den Druckkörper zur Aufnahme des sehr hohen Erdgasdruckes bilden. Durch die hohen Wärmeübergangszahlen bei der Kondensation von Niederdruck-Dampf wäre einerseits der Heizflächenaufwand erheblich geringer und andererseits der Druckbehälter einfacher zu konzipieren. Wegen der erhöhten Erdgasparameter, wie Druck, Menge und gegebenenfalls Temperatur, sind die Entspannungsturbinen 29, 42 in axialer Bauweise auszuführen. Vorteilhafterweise kommt für die Erdgasexpansion dann das Bauprinzip von Dampfturbinen zum Einsatz.
Bei Zwei-Druck-Kombianlagen kann der erzeugte Niederdruckdampf für die Vorwärmung des Erdgases benutzt werden. Eine solche Anlage ist in der 5 dargestellt. Diese Anlage entspricht weitgehend der Anlage gemäß 2. Es ist lediglich die zu dem Wärmetauscher 33 führende Zweigleitung 25 nicht mehr mit dem Austritt des Speisewasservorwärmers 8 sondern als Verbindungsleitung mit einer Niederdruck-Dampfleitung 56 verbunden, die an den Überhitzer 6' des Niederdruckteils des Abhitzekessels 5 angeschlossen ist. Über diese Niederdruck-Dampfleitung 56 und die Verbindungsleitung 25 wird die notwendige Niederdruck-Dampfmenge dem Wärmetauscher 33 zugeführt. In dem Wärmetauscher 33 wird durch eine Wasserstandsregelung die geforderte Erdgasaufwärmung geregelt. Der restliche Niederdruckdampf dient der thermischen Entgasung des Speisewassers in dem Entgaser 16.
Reicht die erzeugte Niederdruck-Dampfmenge aus dem Niederdruckteil des Abhitzekessels 5 zur erhöhten Deckung des Wärmebedarfes (z. B. für die zusätzliche Beheizung von Gebäuden in den Erdgas-Speicherkraftwerken) nicht aus, so kann durch eine entsprechende Dampfentnahme gleicher Druckstufe über eine Entnahmeleitung 53 der Dampfturbine 10 und die Verbindungsleitung 54 der Dampfbedarf des Wärmeverbrauchers 20 gedeckt werden. Die verminderte Dampfturbinenleistung kann über die installierte Zusatzfeuerung 41 im Abhitzekessel 5 kompensiert werden.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Entladung eines Erdgasspeichers mit Hilfe einer Entspannungsturbine (29), Dampfturbine (10) und einer Gasturbine (1), der eine Brennkammer (3) vorgeschaltet und ein Abhitzekessel (5) nachgeschaltet ist, der mit von einem Wasser-Dampf-Kreislauf durchströmten und als Speisewasservorwärmer (8), Verdampfer (7) und Überhitzer (6) ausgebildeten Heizflächen versehen ist, wobei unter hohem Eingangsdruck stehendes Erdgas erwärmt und anschließend in der Entspannungsturbine (29) auf den Verbraucherdruck entspannt und zu einem Anteil in der Brennkammer (3) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von dem in den Heizflächen des Abhitzekessels (5) erhitzten Wasser-Dampf-Kreislauf ein Teilstrom abgezweigt wird, dass das in dem Speisewasservorwärmer (8) vorgewärmte Speisewasser in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird, dass der erste Teilstrom dem Verdampfer (7) des Abhitzekessels (5) zugeführt wird und dass mit dem zweiten Teilstrom das unter dem hohen Eingangsdruck stehende Erdgas in einem Gas/Wasser-Wärmetauscher (33) erwärmt wird, dass die dem Abhitzekessel (5) zugeführte Menge an Speisewasser entsprechend der Lastanforderung des Abhitzekessels (5) geregelt wird und dass die Menge des Speisewassers für die Erwärmung des Erdgases über eine Wasserstandsregelung (46) in einem separaten Druckbehälter (45) auf einen konstanten Wert gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas zweistufig entspannt wird und dass das in der zweiten Stufe entspannte Erdgas einer Zusatzfeuerung (41) des Abhitzekessels (5) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisewasser des zweiten Teilstroms in dem Gas/Wasser-Wärmetauscher (33) durch die Erwärmung des unter dem hohen Eingangsdruck stehenden Erdgases auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur innerhalb eines mit dem Wärmetauscher verbundenen Entgasers (16) abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas durch eine größere Menge an vorgewärmtem Speisewasser erwärmt wird und dass in der Entspannungsturbine (29) eine größere Menge an Erdgas entspannt wird, als in der Brennkammer (3) der Gasturbine (1) verbrannt wird, dass das überschüssige entspannte Erdgas über eine Leitung (32) einem zusätzlichen Erdgasverbraucher zugeführt wird und dass dem Verdampfer (7) eine anteilige Menge an nicht vorgewärmtem Speisewasser zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Dampfturbine (10) durch eine Zusatzfeuerung (41) angehoben wird, wenn die Dampfleistung des Abhitzekessels (5) zur Deckung des elektrischen Bedarfes nicht ausreicht.
Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Eindrucksystem ein zusätzliches Niederdruckdampfsystem auf der Abgasseite der Gasturbine installiert wird und dass bei dem einen Niederdruckteil und einen Hochdruckteil aufweisenden Wasser-Dampf-Kreislauf das unter dem hohen Eingangsdruck stehende Erdgas durch einen Teilstrom des in dem Niederdruckteil erzeugten Dampfes erwärmt wird.
Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Entladung eines Erdgasspeichers mit Hilfe einer Entspannungsturbine (29), Dampfturbine (10) und einer Gasturbine (1), der eine Brennkammer (3) vorgeschaltet und ein Abhitzekessel (5) nachgeschaltet ist, der mit als Speisewasservorwärmer (8), Verdampfer (7) und Überhitzer (6) ausgebildeten Heizflächen versehen ist, wobei der Eingang der Entspannungsturbine (29) mit einer Versorgungsleitung (27) für ein unter hohem Eingangsdruck stehendes Erdgas über einen Wärmetauscher (33) zur Erwärmung dieses Erdgases und der Ausgang der Entspannungsturbine (29) über eine Leitung (30) mit der Brennkammer (3) der Gasturbine (1) und über eine weitere Leitung (32) mit einem zusätzlichen Erdgasverbraucher verbunden ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Speisewasservorwärmers (8) mit zwei Zweigleitungen (24, 25) verbunden ist, dass die erste Zweigleitung (24) mit den dem Speisewasservorwärmer (8) nachgeschalteten Heizflächen des Abhitzekessels (5) verbunden ist und dass die zweite Zweigleitung (25) zu dem Wärmetauscher (33) geführt und anschließend zu dem Speisewasserentgaser (16) zurückgeführt ist, dass eine Speisewasserpumpe (22) in einer Leitung (21) für die dem Abhitzekessel (5) zugeführte Menge an Speisewasser entsprechend der Lastanforderung des Abhitzekessels (5) regelbar angeordnet ist und dass die Menge des Speisewassers für die Erwärmung des Erdgases über eine Wasserstandsregelung (46) im einem separaten Druckbehälter (45) auf einen konstanten Wert gehalten ist.
Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Entladung eines Erdgasspeichers mit Hilfe einer Entspannungsturbine (29), Dampfturbine (10) und einer Gasturbine (1), der eine Brennkammer (3) vorgeschaltet und ein Abhitzekessel (5) nachgeschaltet ist, der mit als Speisewasservorwärmer (8), Verdampfer (7) und Überhitzer (6) ausgebildeten Heizflächen versehen ist, wobei der Eingang der Entspannungsturbine (29) mit einer Versorgungsleistung (27) für ein unter hohem Eingangsdruck stehendes Erdgas über einen Wärmetauscher (33) zur Erwärmung dieses Erdgases und der Ausgang der Entspannungsturbine (29) über eine Leitung (30) mit der Brennkammer (3) der Gasturbine (1) und über eine weitere Leitung (32) mit einem zusätzlichen Erdgasverbraucher verbunden ist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel (5) in einen Niederdruckteil mit einem Verdampfer (7') und einem Überhitzer (6') und einen Hockdruckteil mit dem Speisewasservorwärmer (8), einem Verdampfer (7) und einem Überhitzer (6) aufgeteilt ist und dass der Überhitzer (6') des Niederdruckteiles mit dem Wärmetauscher (33) zur Erwärmung des Erdgases verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Entspannungsturbine (29) eine zweite Entspannungsturbine (42) nachgeschaltet ist, deren Ausgang mit einer in dem Abhitzekessel (5) angeordneten Zusatzfeuerung (41) verbunden ist.
Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Wärmetauschers (33) über eine die Entspannungsturbine (29) umgehende Bypassleitung (36) über die Leitung (30) mit der Brennkammer (3) und über die weitere Leitung (32) mit zusätzlichen Erdgasverbrauchern verbunden ist und dass in der Bypassleitung (36) ein Druckreduzierventil (35) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (27) über einen elektrischen Aufheizer (38) und ein Druckreduzierventil (35) mit der Brennkammer (3) und zusätzlichen Erdgasverbrauchern verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass von der Speisewasserleitung (21) vor deren Eintritt in den Speisewasservorwärmer (8) eine dritte Zweigleitung (48) abgezweigt ist, die mit der ersten den Ausgang des Speisewasservorwärmers (8) mit der Dampftrommel (26) verbindenden Zweigleitung (24) verbunden ist, und dass in der ersten Zweigleitung (24) und in der dritten Zweigleitung (48) jeweils vor der Verbindungsstelle dieser Zweigleitungen 24, 48) ein Regelventil (49, 50) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel (5) mit einer Zusatzfeuerung (41) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der hohen Erdgasparameter, wie Druck, Temperatur und Menge, die Entspannungsturbinen (29, 42) in axialer Bauweise ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frischluftbetrieb des kombinierten Gas/Dampfturbinen-Blocks vorgesehen ist, wobei bei einem Ausfall der Gasturbine (1) der Entspannungskreislauf für das Erdgas über ein Frischluftgebläse (47) und über die Zusatzfeuerung (41) in Betrieb bleibt.