ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK Ein typisches Druckluftenergiespeicher- (CAES-) Kraftwerk, wie in Figur 1 dargestellt, umfasst eine Kaverne ("cavern"-C) für Druckluft, die zum Antreiben einer Einwellen-Expansionsturbine verwendet wird, die aus einer Luftexpansionsturbine ("air expansion turbine"-AT), gefolgt von einer Verbrennungskammer ("combustion chamber"-CC) besteht. Es umfasst des Weiteren eine Gasturbine (GT), die während des Normalbetriebs einen fest gekoppelten Generator (G) in Synchronisation mit dem Stromnetz antreibt.

Die Drehzahl-und Leistungssteuerung der Turbine erfolgt für gewöhnlich durch eine koordinierte Steuerung von Ventilen, insbesondere der Lufteinlassventile ("air inlet valves"-AV) am Luftturbineneinlass wie auch der Kraft- stoffeinlassventile ("fuel inlet valves"-FV) an der Verbrennungskammer. Die folgende Offenbarung betrifft ein CAES-Kraftwerk, wie in der schematischen Darstellung von Fig. 1 gezeigt, sowie Varianten desselben. Dies sind zum Beispiel CAES-Kraftwerke mit einer zusätzlichen Verbrennungskammer, die vor der Luftturbine (AT) angeordnet ist, oder einem Wärmeaustauscher vor der Luftturbine zum Vorwärmen der Druckluft von der Kaverne.

Die Einwellen-Turbine wird aus einem Stillstand oder aus einem Drehbetrieb in die Synchronisierung angefahren, wofür eine Drehzahlsteuerung mit offenem oder geschlossenem Regelkreis eingerichtet ist. Für einen Teil dieses Anfahrvorganges umfasst das CAES- Kraftwerk zusätzlich einen statischen Frequenzwandler ("static frequency converter"-SFC), der parallel zu dem Generator/Stromversorgungsnetz-Unterbrechungs- schalter (S) angeordnet ist. Das elektrische Bremsmoment des SFC wirkt dem Antriebsmoment der Turbine entgegen, solange der Generator noch nicht synchronisiert ist. Es kann auch zur Verkürzung der Auslaufprozedur verwendet werden, die auf eine Trennung vom Stromversorgungsnetz ("mains"-M) folgt. Die Leistungsabgabe nach der Synchronisierung der Turbine erfolgt auf herkömmliche Weise über den Generator an das Stromverbrauchernetz.

Das Anfahren einer Turbine umfasst mehrere Schritte : - Spülen der Turbine und Verbrennungskammer unter Verwendung vorgewärmter Luft aus der Kaverne und über das Lufteinlassventil, - Verringern der Ausblasluftströmungsrate durch das Lufteinlassventil, gefolgt von der Zündung des Verbrenners, - Beschleunigung der Turbine durch Steuerung der Luftströmungsrate, koordiniert mit der Steuerung der Verbrenner-Brennstoffströmungsrate, während gegebene Verfahrenswerte, wie Gasturbinen- Einlasstemperatur und Mengen toxischer Komponenten in den Abgasen von der Turbine, eingehalten werden. In diesem Schritt werden kritische Betriebsparameter, die für diese Turbine spezifisch sind, beachtet. Diese kritischen Be- triebsparameter sind zum Beispiel die mechanischen Belastungen der Gasturbinen-Endstufe durch Ventilationseffekte aufgrund einer unzureichenden Strömungsrate bei hohen Drehzahlen und mögliche

kritische Drehzahlbereiche ; Synchronisierung der Turbine mit dem Stromverbrauchernetz bei Nenndrehzahl sowie Betrieb bei Minimallast.

Der Leistungsbetrieb bei konstanter Drehzahl erfolgt durch Steuerung der elektrischen Leistungsabgabe, während gegebene Grenzwerte für die Gasturbinen- Einlasstemperatur und die Mengen toxischer Komponenten in den Abgasen der Gasturbine beachtet werden. Dazu und für eine geeignete Betriebsprozedur in Bezug auf die Verbrennung, sind der Luftmengenstrom und der GasBrennstoffmengenstrom gegebene Referenzwerte, die sowohl leistungs-als auch temperaturabhängig sind und mittels der Positionssteuerwerte der Lufteinlass-und Verbrennungskraftstoffeinlassventile erreicht werden.

Das Herunterfahren der Anlage nach der Trennung vom Stromnetz erfolgt mittels des SFC als Bremse, so dass die Turbine rasch durch kritische Drehzahlbereiche läuft und auch die Auslaufzeit verkürzt wird.

Ein besonderes Problem, das während des Anfahrens der Turbine dieser Art auftritt, ist, dass die Turbine, die durch einen relativ kleinen Luftmengenstrom beschleunigt wird, rasch Drehzahlen erreichen kann, bei welchen Ventilationseffekte aufgrund eines unzureichenden Strömungsvolumens in den Endstufen der Gasturbine auftreten können. Die Ventilation wird durch einen fehlerhaften Luftstrom um die Schaufeln verursacht, der unübliche mechanische Belastungen in den Schaufeln verursacht. Ferner neigt diese Art von Turbine zur Entwicklung eines"astatischen"Verhaltens in Bezug auf die Drehzahl, das im Wesentlichen auf das Fehlen eines Gegendrehmoments zurückzuführen ist. Aus diesem Grund ist ein gesteuerter Betrieb in Bezug auf die Drehzahl nur durch ein besonderes Bremsmoment möglich, das in diesem Fall elektrisch am Generator durch den SFC erzeugt wird. (In anderen Turbinenanlagen, wie Dampfturbinen oder Gasturbinen

gibt es Bremsmechanismen, die durch die langen Schaufeln in der Dampfturbine und die Ventilation der Generator-Kühlluft oder den Kompressor für die Gastur- <BR> <BR> bine bereitgestellt werden. ) Nach dem Stand der Technik kann der Luftmengenstrom während des Anfahrens gegeben sein, und die Drehzahl wird streng durch das Gleichgewicht zwischen Antrieb und Bremsung gesteuert.

Diese Art der Drehzahlsteuerung ist vom Standpunkt der Steuerung aus nicht eindeuting, da entweder der Antrieb (Lufteinlass) oder die Bremse (SFC) oder beide als Steuerungsmittel verwendet werden können.

Zur Vermeidung einer Ventilation in der Endstufe aufgrund besonderer Luftmengenströme in der Luftexpansionsturbine ist es für gewöhnlich notwendig, dass der Luftmengenstrom und die Turbinendrehzahl funktionell verbunden sind. Die Einstellung jeder gesteuerten Drehzahl erfordert, abhängig von dem aktuellen Bremsmoment, einen besonderen Luftmengen- strom. Im Falle eines geringen Bremsmomentes kann die Luftströmungsrate so gering sein, dass eine Ventilation einsetzen kann. Mit anderen Worten : für jede Luftströmungsrate gibt es eine bestimmte maximale Drehzahl, bei welcher eine Ventilation einsetzt. Wenn während des Anfahrens die Drehzahl als Steuervariable gewählt wird und das Bremsmoment sehr klein ist, kann es leicht zu einer unkontrollierten Ventilation kommen.

Zur Einstellung der Drehzahl und Vermeidung der Ventilation können entweder der Luftmengenstrom oder das SFC-Bremsmoment oder beide verändert werden.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG Angesichts des beschriebenen Standes der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben von Turbinen bereitzustellen, die in einem CAES- Kraftwerk angeordnet sind, insbesondere für das Anfahren und Herunterfahren der Turbinen. Das Verfahren soll besonders für den Betrieb von Turbinen geeignet

sein, die außer einem SFC keinen Bremsmechanismus haben.

Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das bei der Wahl von Variablen zur Drehzahlsteuerung eindeutig ist. Es ist eine weitere besondere Aufgabe der Erfindung, eine Turbinendrehzahlsteuerung bereitzustellen, durch welche Ventilationseffekte und astatisches Verhalten in Bezug auf die Drehzahl in einer Luftexpansionsturbine verhindert werden.

Gemäß der Erfindung beruht ein Verfahren zum Betreiben einer Turbine, die in einem CAES-Kraftwerk angeordnet ist, auf zwei verschiedenen Konzepten, die bei verschiedenen Turbinendrehzahlbereichen angewendet werden. In einem unteren Turbinendrehzahlbereich umfasst es nur eine Steuerung des Luftmengenstroms mit offenem Regelkreis, wonach sich die Turbinendrehzahl frei entwickeln kann. Insbesondere umfasst das Verfahren für den unteren Drehzahlbereich die Steuerung des Luftmengenstroms zu der Luftexpansionsturbine durch Einstellung des Lufteinlassventils als Funktion der Zeit und/oder jeder möglichen Betriebszu- standsanforderung der Turbine. Diese Anforderungen stimmen mit dem betreffenden Betriebskonzept der CAES- Anlage überein, wie Turbinen-und Wärmeaustauscher- Aufwärmen, Spülen, Beschleunigen und so weiter. In einem oberen Turbinendrehzahlbereich umfasst es eine Steuerung der Turbinendrehzahl mit geschlossenem Regelkreis, wobei die Turbinendrehzahl durch einen Drehzahlregler gesteuert wird, der auf einen statischen Frequenzwandler (SFC) wirkt. Die Turbinendrehzahl wird, falls erforderlich, durch einen SFC begrenzt, wie zum Beispiel in dem Fall, wenn die Drehzahl einen gegebenen vorbestimmten Drehzahlbereich erreicht, der in Bezug auf Ventilationseffekte oder Rotordynamik kritisch ist.

Bei der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis ist die Turbinendrehzahl in Übereinstimmung mit der momentanen

Luftströmungsrate begrenzt, die sich aus der Lufteinlassventilposition ergibt. Da der Luftstrom ein hohes Antriebsmoment erzeugt, das zur Beschleunigung des Turbinenrotors neigt, ist die Turbinendrehzahl durch den Drehzahlregler, der das variable Bremsmoment des SFC aktiviert, auf einen luftstromabhängigen Sollwert begrenzt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist besonders beim Anfahren einer Expansionsturbine anwendbar, die in einem CAES-Kraftwerk jener Art angeordnet ist, die in Verbindung mit Figur 1 beschrieben ist. Der Luftmengenstrom, der zum Spülen, Zünden, Beschleunigen und Synchronisieren der Anlage notwendig ist, wird durch das Lufteinlassventil eingestellt und abhängig von dem Bereich der Turbinendrehzahl unterliegt der Steuerung mit offenem oder geschlossenem Regelkreis.

Im unteren Turbinendrehzahlbereich stellt sich die Drehzahl frei in Übereinstimmung mit dem Luftmengenstrom ein, der sich aus der Einstellung des Lufteinlassventils ergibt. Im oberen Turbinendrehzahlbereich, wo möglicherweise Ventilationseffekte auftreten können, wird die Drehzahl, nur wenn notwendig, durch den Drehzahlregler begrenzt. Auf den Drehzahlregler wirkt ein Drehzahlreferenzwert oder Turbinendrehzahlsollwert, der von einem bestimmten Drehzahlzielwert und einem Drehzahlbegrenzungswert bestimmt wird. Der Drehzahlbegrenzungswert nlim wird durch eine Ventilationsberechnung unter Verwendung einer Funktion der tatsächlichen Luftströmungsrate f (mA) bestimmt. Der Drehzahlbegrenzungswert nlim ist die Turbinendrehzahl, die für einen gegebenen Luftmengenstrom zulässig ist, bei dem keine Ventilation aufritt. Wenn die tatsächliche Drehzahl der Turbine dazu neigt, größer zu sein als der Drehzahlreferenz-oder der Drehzahlbegrenzungswert, aktiviert der Drehzahlregler ein Bremsmoment über den SFC, der dem Antriebsmoment

aufgrund des gegebenen Luftmengenstroms dynamisch entgegenwirkt.

Unter einem weiteren Aspekt des Verfahrens gemäß der Erfindung enthält die Drehzahlsteuerung Prozeduren für ein rasches Durchlaufen kritischer Drehzahlbereiche.

Wenn während des Anfahrens der Expansionsturbine der untere Grenzwert für einen solchen kritischen Drehzahlbereich erreicht wird, bewirkt eine Steuerschaltung eine sofortige Erhöhung des Drehzahlreferenzwertes auf den oberen Grenzwert dieses kritischen Drehzahlbereichs. Dann wird eine rampenförmige Steuerung der notwendigen oberen Luftströmungsrate aktiviert, bis der erhöhte Drehzahlreferenzwert für die Turbinenwelle erreicht ist.

Unter einem weiteren Aspekt des Verfahrens wird die Drehzahl ausschließlich mit Hilfe des SFC gesteuert, kurz bevor die Drehzahl zur Synchronisierung mit dem Stromnetz durch den Turbinenrotor erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Luftmengenstrom konstant gehalten, und die Drehzahl wird durch kontrollierte Verringerung des SFC-Bremsmomentes auf die Synchronisierungsdrehzahl erhöht.

Das Bremsmoment, das zum Zeitpunkt der Synchronisierung vorhanden ist, wird physikalisch in die Turbinen- Minimallast umgewandelt. Sein Wert kann für spätere Bremsprozeduren gespeichert werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist des Weiteren bei einem kontrollierten Herunterfahren der Luftexpansionsturbine anwendbar. In diesem Schema wird der SFC durch den Drehzahlregler aktiviert, bis die Turbinenwellendrehzahl auf eine Drehzahl verringert ist, die für ein freies Auslaufen sicher ist. Nach einer Trennung vom Stromnetz könnte die Turbine beschleunigen, was zu Überdrehzahlen und dem Risiko

einer Gefährdung der Anlage führen kann. Zur Vermeidung solcher Überdrehzahlen wird der SFC durch den Drehzahl- regler aktiviert. Sein Bremsmoment verringert die Turbinendrehzahl auf einen entsprechend niedrigen Wert für ein freies Auslaufen. Dieser Wert beträgt für gewöhnlich etwa 40-50% der vollen Betriebsdrehzahl.

Dann wird der SFC deaktiviert, und die Drehzahl kann sich in dem ersten oben erwähnten Drehzahlbereich frei entwickeln. (In diesem ersten Drehzahlbereich könnte der SFC aus elektrischen Gründen nicht aktiviert <BR> <BR> werden. ) Unter einem Aspekt dieser Anwendung des Betriebsverfahrens wird die Turbinenanlage nach dem Herunterfahren der Turbine ausgeblasen, bevor sie erneut gezündet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines CAES- Kraftwerkes, mit dem eine Luftexpansionsturbine durch ein Verfahren gemäß der Erfindung betrieben werden kann.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Steuer- schaltungsanordnung, die in dem Betriebsverfahren gemäß der Erfindung angewendet wird.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG Das Betriebsverfahren gemäß der Erfindung hängt von der Turbinendrehzahl ab, bei welcher es angewendet wird.

Der oben genannte untere Turbinendrehzahlbereich umfasst die Drehzahlen bis zu etwa 40% der vollen Betriebsdrehzahl und ist der Drehzahlbereich, in dem der SFC aus elektrischen Gründen (Generatorerregung) nicht in Betrieb genommen werden kann. Dies kann zum Beispiel während des Spülens der Fall sein. In diesem Bereich von Turbinenrotordrehzahlen wird der Luftmengenstrom, der durch die Lufteinlassventile eingestellt wird, durch die Steuerung mit offenem

Regelkreis gemäß einer vorgeschriebenen Spülnorm einge- stellt, und die erhaltene Turbinendrehzahl kann sich frei entwickeln. In diesem Drehzahlbereich gibt es für gewöhnlich auch keine potentiellen Ventilationseffekte.

Der oben genannte obere Drehzahlbereich enthält die Drehzahlen über die etwa 40% der vollen Betriebsdrehzahl und ist jener Drehzahlbereich, in dem der SFC aktiviert werden kann. In diesem oberen Drehzahlbereich wird der Luftmengenstrom in Übereinstimmung mit der in Figur 2 dargestellten Schaltungsanordnung gesteuert.

Figur 2 zeigt schematisch die Drehzahlsteuerschaltungs- anordnung mit drei Einheiten : Einheit A für die Steuerung der Turbinendrehzahl n, Einheit B für die Steuerung der Ausgangsleistung mit Hilfe der Steuerung des Luftstroms über die Lufteinlassventilposition yA und Einheit C für die Temperatursteuerung an der Verbrennungskammer (CC) mit Hilfe einer Steuerung der Brennstoffzufuhr yF.

Einheit A zeigt insbesondere jene Schaltungs- anordnungsfunktionen, die das Betriebsverfahren gemäß der Erfindung ermöglichen. Einheit B und C zeigen jeweils Schaltungsanordnungsfunktionen, wie sie in herkömmlichen Betriebssystemen angewendet werden und die im Wesentlichen mit dem Verfahren gemäß dieser Erfindung kompatibel sind.

Einheit A für die Drehzahlsteuerschaltungsanordnung umfasst einen Eingang für zwei verschiedene Turbinendrehzahlwerte, die Drehzahl ni, welche die tatsächliche Turbinenrotordrehzahl ist, und, welche ein Drehzahlzielwert ist. Bei der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis wird die tatsächliche Drehzahl ni mit einem Drehzahlsollwert nsp verglichen. Wenn die tatsächliche Drehzahl ni diesen Drehzahlsollwert überschreitet, aktiviert der PI-Drehzahlregler das

Bremsmoment YSFC des SFC. Der Drehzahlsollwert zp wird durch den unteren Wert (MIN-Wert) einer bestimmten Zieldrehzahl nE und einen Drehzahlbegrenzungswert nlim bestimmt. Der Begrenzungswert nlim wird seinerseits durch eine Ventilationsberechnung gemäß einer Funktion f (mA) des aktuellen Luftmengenstroms bestimmt, der durch die Lufteinlassventile gegeben ist.

Der Wert des Luftmengenstroms mA stellt allgemein die Summe der drehzahlabhängigen Komponente mAn plus der lastabhängigen Komponente mAp dar. Da mAp während des Anfahrprozesses gleich Null (nicht aktiv) ist, wird die Drehzahlbegrenzungsfunktion f (mA) nur durch mAn geregelt.

Die Funktion f (mA) ergibt eine maximal zulässige Drehzahl, den Drehzahlbegrenzungswert nlim für einen gegebenen Luftmengenstrom mA, bei dem keine Ventilationseffekte auftreten. Der Wert von nlim ist auch die maximale Drehzahl, die dem Drehzahlsollwert ngp gegeben wird. Somit wird durch dieses Steuerverfahren das Auftreten von Ventilationseffekten weitgehend verhindert. Der SFC bewirkt, dass die maximale Turbinenrotordrehzahl nlim nicht überschritten wird.

Während des Anfahrens der Turbine umfasst das Verfahren eine Prozedur zum raschen Durchlaufen kritischer Drehzahlbereiche. Solche kritischen Drehzahlbereiche ncrit sind in der Bestimmung des Drehzahlsollwertes rbp enthalten. Gemäß dem Verfahren wird der kritische Drehzahlbereich gemäß einer Drehzahlrampenfunktion dn/dt durchlaufen. Solche kritischen Drehzahlbereiche sind sowohl für den Luftturbinen-als auch den Gasturbinenrotor vom Rotor abhängig. Diese haben jeweils ihre eigenen charakteristischen kritischen Drehzahlbereiche und zusammengekoppelt haben sie weitere kritische Drehzahlbereiche.

Innerhalb eines solchen kritischen Drehzahlbereichs,

und falls der SFC bereits aktiv war, weil der gegebene Referenzwert (gegeben bei der MIN-Funktion, die in Figur 2 dargestellt ist) als Begrenzungswert diente, kann das SFC-Drehmoment zunächst auf kontrollierte Weise verringert werden, so dass die Turbinenwelle beschleunigt. Dies hält so lange an, wie die obere begrenzende Drehzahl, die von der momentanen Luftströmungsrate abhängig ist, noch nicht erreicht ist. Danach wird die Drehzahl auf kontrollierte Weise erhöht, indem der Luftmengenstrom erhöht wird. Falls notwendig, aktiviert der Drehzahlregler den SFC als Bremse und trägt zu der Vermeidung der Ventilation bei.

Dieser Prozess endet schließlich beim oberen Grenzwert des kritischen Drehzahlbereichs, woraufhin der normale Anlaufprozess wieder aufgenommen wird.

Wenn sich die Turbinendrehzahl zum Beispiel 95% der Drehzahl für die Synchronisierung nähert, wird der Luftstrom angehalten, während die Turbinendrehzahl weiter auf 100% erhöht wird, indem das Bremsmoment des SFC verringert wird.

Einheit B zeigt schematisch das Verfahren zum Berechnen der Antriebssignale yA für das Einstellen der Hauptsteuerventile ("main control valves"-MCV) und der Sicherheitsventile ("bypass valves"-BYP) bei der Luftexpansionsturbine (AT). Dieses Verfahren ist Teil des Standes der Technik und mit dem in Einheit A angeführten Verfahren kompatibel. Der Wert des Luftmengenstroms mA, der in die Bestimmung der Steuersignale der Einlassventile einfließt, wird durch den leistungsrelevanten Luftstrom mAp und den drehzahlrelevanten Luftstrom mm bestimmt, der mit dem Zielluftstrom ms in direktem Zusammenhang steht. Der lastrelevante Luftmengenstrom mAp wird, neben anderen Parametern, durch die Schwankung in Frequenz Af bestimmt, welche die Differenz zwischen der tatsächlichen Netzfrequenz und der nominalen oder Nennnetzfrequenz ist. Zum Beispiel wird im Falle einer

Verringerung der tatsächlichen GNetzfrequenz die Turbinenleistung mit Hilfe der Steuerung des Luftmengenstroms mAp und einer geeigneten Ventil- steuerung erhöht.

Einheit C, die eine allgemeine Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik zeigt, die mit dem Verfahren gemäß Einheit A kompatibel ist, berechnet die Position YF des Brennstoffventils für eine dynamisch verstärkte Steuerung der Gasturbineneinlasstemperatur nach der Verbrennungskammer (CC) mit geschlossenem Regelkreis.