Kraftanlage Die üblichen Ausführungen von Gastur binenkraftanlagen mit kontinuierlicher Ver brennung weisen einen durch die Gasturbine angetriebenen Verdichter auf, dem eine Ein richtung nachgeschaltet ist. - z.
B. eine Ein- riehtung, in welcher Brennstoff in Luft ver brannt wird -, um die aus dem Verdichter ausströmende Luft zu erhitzen und so das er hitzte Antriebsmittel für die Turbine zu lie- fern. Übersehlagsmässig werden dann von 3 PS Turbinenleistung ? PS von dem Ver dichter verbraucht und nur 1 PS wird als \ntzleistung abgegeben.
Zusammen macht das Für die beiden Maschinen 5 PS, und natür lich muss die Lufterhitzungseinriehtung ein der Nutzleistung entsprechendes Leistungsver- mögen haben, das heisst sie muss einen Ener- giebetra- liefern können, der gleich ist der Nutzenergie plus sämtliche Verluste, ungeach tet des effektiven Leistungsvermögens der Ein heit, die sich ans Verdichter und Turbine zu- N'aminensetzt.
In vielen Kraftanlagen ist die Leistungs maschine selten mehr als einige Stunden wäh rend des ganzen Tages voll belastet und v iel- faeli während einigen Stunden überhaupt.
unbelastet; die Belastung durch Energie abnahme durch die Industrie dauert zum Bei spiel meistens nur während acht von vierund- s;waii7ig Stunden. MTürde die obenerwähnte Verbrennungseinrichtung durch einen '#Tärme- austauscher ersetzt, mittels welchem die in einem Atomofen oder einer sonstigen Wärme quelle mit hohen Anlagekosten produzierte Wärme an die Luft übertragen würde, so würde diese Wärmequelle recht unwirtschaft lich ausgenützt, weil auch sie nur während den acht Stunden der Energieabnahme, an statt kontinuierlich während den vierund zwanzig Stunden in Betrieb genommen wer den könnte.
Vorschläge zur Herabsetzung des Bauvolu mens und der Anlagekosten der Turbomaschine gingen dahin, eine Gasturbine mit Treibgasen zu beliefern, welche man durch Verbrennung von Brennstoff in Luft erzeugt, welche man einem unterirdischen Luftreservoir entnimmt, dem verdichtete Luft durch von der Turbine unabhängige Mittel zugeführt wird; diese Turbine treibt also keinen Verdichter an.
Die Erfindung bezweckt nun die Schaf fung einer Anlage zur zeitweisen Lieferung von Nutzleistung unter Herabsetzung von Bauvolumen und -kosten. In einer zweck mässigen Ausfühxaingsform können auch das Bauvolumen und die Anschaffungskosten des Erhitzers reduziert werden, indem man die Turbine längere Zeitperioden laufen lässt, als die Leistungsabnahme andauert, und zwar vor zugsweise kontinuierlich.
Dabei wird die oben erwähnte Tatsache ausgenützt, dass die zur Belieferung der Turbine mit Luft aufzuwen- dende Energie etwa. das Doppelte der Nutz leistung beträgt, um dementsprechend die Turbine während eines Drittels des Tages zur Abgabe von Nutzleistung und während den restlichen zwei Dritteln zum Hereinpumpen der-erforderlichen Luftmenge in das Reservoir arbeiten zu lassen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Kraft anlage, die eine aus einem Druckluftspeieher mit Druckluft gespiesene Gasturbine, eine Einrichtung zur Erhitzung der zur Gastur bine strömenden Lüft und einen Verdichter aufweist, wobei die von der Gasturbine ab gegebene Leistung sowohl von einer variabel belastbaren Lastmasehine als auch vom Ver dichter aufgenommen werden kann.
Diese Anlage zeichnet. sich dadurch aus, dass sowohl die Lufterhitzungseinrichtung als auch die Gasturbine dauernd mit annähernd gleichbleibender Leistung arbeiten und dass Mittel vorhanden sind, welche, wenn die äussere Last der Turbine niedrig ist, die von der Turbine erzeugte überschüssige Energie ausnützen, um verdichtete Luft in den Druck luftspeicher zu fördern.
In beiliegender Zeichnung sind zwei Aus führungsbeispiele der erfindungsgemässen Kraftanlage schematisch dargestellt, und zwar in den Fig. 1 und 2.
Zur Kraftanlage gemäss Fig. I. gehören eine Gasturbine 1, ein durch diese antreib- barer Stromgenerator 2 und ein Stromnetz 3, das mittels des Schalters 4 an den Stromgene rator angeschlossen werden kann, um durch denselben mit von der Turbine 1 erzeugter Energie beliefert zu werden.
Ein mit aus der Anlage genommener - Energie antreibbarer Verdiehter 5 dient. dazu, einen Druekluftspei- eher 9 und die Turbine 1 mit. verdichteter Luft. zu beliefern, und zwar durch die Leitung 6 und das Regulierventil 7 hindurch und fer ner für den Speicher durch die Zweigleitung 6a und das Ventil 8 hindurch und für die Turbine durch die Zweigleitung 6b hindurch. Das Ventil 7 ist ein kombiniertes Rücksehlag- und beispielsweise von Hand bedienbares <B>Ab-</B> sperrventil.
An die Leitung 6 ist auch ein Ablassventil angeschlossen, durch welches hin- durch die Druckseite des V erdiehters mit der Atmosphäre in Verbindung gesetzt werden kann. Die der Turbine zuströmende Luft wird in einem Wärmeaustauseher 10 durch die in einer Leitung 6c von der Turbine wegströ mende Luft vorgewärmt und dann durch die nachfolgend beschriebene Einrichtung 1l-12-13 erhitzt. Eine ein- und ausrüekbare Kupplung 14 zwischen Turbine 1 und Verdichter 5 er möglielit es, willkürlich eine ein- und aus schaltbare Antriebsverbindung zwischen die sem Verdiehter und der Turbine herzustellen.
Es kann sich dabei im Prinzip um irgendeine Art von Kupplung, also zum Beispiel eine Klauen- oder um eine Reibungskupplung oder auch um eine elektrische oder eine. hydrau lische Kupplung, handeln.
Die Turbine 1 hat ein Leistungsvermögen (in PS ausgedrückt), (las genügt, um den Stromgenerator 2 bei voller Aussenbelastung anzutreiben, also etwa. ein Drittel des Lei stungsvermögens einer Turbine, die gleiehzei- tig auch den Verdiehter antreiben muss, wie dies bei den üblichen Gasturbinenkraftania- gen der Fall ist. Der Verdiehter 5 ist etwa für die gleiche Leistung ausgelegt wie die Turbine.
Wird die Turbine nach Abschaltung der äussern Last und nach Kupplung mit dem Verdichter 5 beispielsweise während sechzehn Stunden laufengelassen, so wird ungefähr ein Drittel der dabei vom Verdiehter 5 aufge nommenen Energie dazu benützt, um in den Druekluftspeieher 9 eine Luftmenge hineinzu pumpen, die genügt, tim hernach während acht Stunden die Turbine zu betreiben; wäh rend diesen folgenden acht.
Stunden ist die Antriebsverbindung mit. dem Verdiehter 5 aufgehoben, hingegen ist der Stromgenerator 2 durch den geschlossenen Schalter 4 an das S S tromnetz 3 angeschlossen;
es wird die Tur- binenleistung in elektrische Energie umgesetzt und an das Stromnetz abgegeben, und die dabei zum Betrieb der Turbine erforderliche Luft wird dann in einer stündlich doppelt so grossen Henge dem Diiiekluftspeicher entnom men, wie sie während den 16 Stunden in die sen hineingepumpt. wurde.
Das stündliche Leistungsvermögen der Erhitzereinrichtunö i)rauclit mir so gross zu sein, wie für den Be trieb bei Luftakkumulierung erforderlich ist, also etwa gleich einem Drittel der Vollast; während der achtstündigen Abgabe der Voll ; last werden die übrigen zwei Drittel der der Turbine zuzuführenden Energie dem Druck luftspeicher entnommen, in welchem diese Energie während sechzehn Stunden gespei chert wurde. Die Erhitzereinrichtung setzt. sich zusammen aus einer Wärmequelle 11, wie z.
B. einem Atomofen, sowie aus einem Wärme- austauscher 12, der einesteils in die Luftlei tung 6b und anderseits zusammen mit dem .Romofen in den Kreislauf 13 eines 'Wärme- übertragungsmediums eingeschaltet ist, wel ehes 3ledium zum Beispiel geschmolzenes Me tall sein kann. Eine solche Erhitzereinrieh- tung ist von recht teurer Konstruktion, und die Reduktion ihres Leistungsvermögens kann i vom wirtschaftlichen Standpunkt aus viel wichtiger sein als selbst.
die Reduktion des Bauvolumens und der Baukosten der Turbo maschinen 1 und 5. Die Wärmequelle 11 könnte auch aus einer Industrieanlage beste ; hen, welche den ganzen Tag arbeitet und da bei grosse Energiemengen in Form von Wärme abgibt.
Wenn die Kupplung 14 zwecks Stillsetzung des Verdichters 5 ausgerückt wird, so wird das Luftablassventil 19 geöffnet, damit die noch kurzzeitig vom Verdichter gelieferte Luft in die Atmosphäre ausströmt, worauf das als Rüekschlagventil arbeitende Ventil 7 unter der Einwirkung des im Speicher 9 herrschen ; den Druckes von selbst schliesst und dabei die Verbindung zwischen dem abgestellten Ver dichter und dem Speicher absperrt, während die durch die Erhitzungsmittel 10 und 12 gehende Verbindung zwischen diesem letzte ren und der Turbine offen bleibt.
Der Verdichter 5 ist zweckmässig leistungs regulierbar, damit. er eine kleinere Luftmenge an den Speicher 9 liefern kann, wenn die Tur bine 1. und der Stromgenerator bei Teillast betrieben werden. Zu diesem Zweck sollen die Betriebsverhältnisse über einen grossen Be reich regulierbar sein bis zu eigener Vollast, wenn die Leistungsabgabe am Stromgenerator null ist; eine solche Leistungsregulierung kann bekanntlicht verwirklicht werden z. B. in Form eines Mechanismus 5a, zum Verstellen der Schaufeln oder in Form eines in die An triebsverbindung mit der Turbine eingeschal teten Drehmomentwandlers bzw. Schaltgetrie bes 15.
In diesem Fall kann ein erster Ver dichter vorgesehen werden zur direkten Belie ferung von Erhitzer und Turbine und ein zweiter zur Speicherung von Luft im Spei cher. Dieser zweite Verdichter würde vom Rest der Anlage abgeschlossen durch Schliessung des Ventils B. Auch die Turbine 1. ist zweck mässig leistungsregulierbar, beispielsweise in der üblichen Art -und Weise mittels am Einlass 1 orgesehener Regelorgane (Füllungsregulie rung).
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungs form wird der Verdichter 5 durch die Tur bine 1. mittels einer elektrischen Übertragung angetrieben. Die Kupplung 14 ist weggelassen, und der Elektromotor 18 treibt den daran <B>-</B> uppelten Verdichter 5 an. Dieser Elek- t in,ek tromotor 18 kann mittels des Schalters 16 und der Leiter 17 an den Stromgenerator 2 ange- sehlossen werden, wobei zur Drehzahlregulie rung die nachfolgend beschriebenen Mittel vorgesehen sind.
Die Anlageteile 3, 4 und 6 bis 13 sind die gleichen wie im ersten Aus- üihrung:sbeispiel. Der Schalter 16 kann ge schlossen werden, wenn der Schalter 4 offen ist, so dass die Turbine 1 den Verdichter 5 antreibt, wenn sie keine Leistung an das Netz 3 abgibt; oder es kann der Motor 18 reguliert werden, um den Verdichter 5 bei reduzierter Drehzahl und Teillast anzutreiben, wenn die Energieabgabe an das Netz 3 einer Teillast entspricht, so dass auch dann die Turbine und der Stromgenerator 2 die volle Leistung ab geben, Derjenige Teil der Kraftanlage, an wel <I>chen</I> der Verdichter angeschlossen ist, muss nicht notwendigerweise die Turbine, sondern kann auch das Stromnetz 3 sein.
So ist im vorliegenden F,11 der Verdichter 25 ein sol cher, der durch den drehzahlregulierbaren und durch den Schalter 34 an das Stromnetz 3 an schliessbaren Elektromotor<B>9</B> angetrieben wird. Eine Gasturbine 21 treibt den Genera tor 22 an, der über den Schalter 24 das Netz 3 speist. Die Leitung 26 verbindet den Verdich ter 25 mit den den Ventilen 7, 8 und 19 ent sprechenden Ventilen 27, 28, 29 und dann durch die Zweigleitung 26a mit dem Speicher 9a und durch die Zweigleitung 26b und einen Erhitzer mit der Turbine 21. Dieser letztge nannte Erhitzer besteht aus einer Brennkam- mer 30, deren Brenner 31 durch eine Leitung 32 hindurch mit staubförmigem, gasförmigem.
oder flüssigem Brennstoff gespiesen wird. In dieser Anlage muss die Anzahl der Verdichter nicht der Anzahl von Turbinen entsprechen, genügt es doch, dass die Gesamtleistung der Verdichter gross genug ist, um bei Betrieb der selben während des grösseren Teils des vier undzwanzigstündigen Tages, wenn jeweils die Belastung des Stromnetzes gering ist, die Luftmenge aufzuspeichern, die genügt, um den Betriebsmittelbedarf der Turbinen unter Einbezug der Perioden mit Vollbelastung des Netzes decken zu können.
Die Anzahl der je weils in Betrieb gesetzten Verdichter kann im Laufe des Tages je nach Belastung der Ge samtanlage verändert. werden, und zu gewis sen Zeiten können gewisse, aber nicht alle der Turbinen zur Stromproduktion betrieben wer den, während einige, aber nicht sämtliche Ver dichter, arbeiten.
Die Schalter 34 und 24 kön nen gleichzeitig geschlossen werden, so dass der Generator 22 den Strom zur Speisung des Motors 33 liefert; aber es kann auch der Sehalter 24 offen sein, währenddem der Sehal ter 34 und das Ventil 41 geschlossen sind; die Energie zur Belieferung des Motors 33 kommt dann von einer andern an das Netz angeschlossenen Quelle; es kann zum Beispiel die Gasturbinenanlage mit einer Dampftur binenanlage parallel geschaltet sein, die wäh rend der verbrauchsarmen Tageszeit zum An trieb des Verdichters 25 zwecks Aufspeiche rung von Luft herangezogen wird. Diese An ordnung kann die Wirtschaftlichkeit einer mit.
durch Verbrennung von Schweröl entstan denen Gasen betriebenen Turbine wie 27. er höhen, da. ungefähr zwei Drittel der von die ser Turbine abgegebenen Leistung aus Ener- gie stammt, die mittels des Verdichters 25 in der Speicherluft gesammelt wurde, wobei die ser Verdichter mittels des Motors mit Energie beliefert wird, die von der an das Stromnetz 3 angeschlossenen Dampfturbinenanlage stammt, also mit Energie, die von der in der Dampf turbinenanlage verbrannten Kohle geliefert wird. Es könnte auch wirtseliaftlieh ein Kohle verbrennender indirekter Erhitzer Anwen dung finden.
Da in der Anlage gemäss Fig. 2 die Ver dichter 5 und 25 nicht meehaniseh mit den, Turbinen 1. und 2 gekuppelt sind, müssen die Turbinen nicht bezüglieli Drehzahl auf die Verdichter abgestimmt sein, was natürlich recht vorteilhaft ist.
Der den Verdichter 5 antreibende Motor 18 kann beispielsweise zwecks Ermöglichung der Drehzahlregulierung ein Drehstrom-Kom- mutatormotor sein; die Bürsten 18a. und 1.8b würden also zur Drehzahlre;-ulierung am Kom- mutator 18c verstellt. Es könnte- aber auch eine ähnliche Anordnung getroffen werden wie beim Verdieliter 25, dessen ':Motor 33 über einen Frequenzwandler 35 gespiesen wird.
Die Druekluftreservoire oder -speieher 9 und 9a bilden zweckmässig Teile einer einzigen Grossspeicheranlage, unter der Voraussetzung, dass die Turbinen 1. und 21 relativ nahe bei einander angeordnet. sind. Vorzugsweise ist in jedem Reservoir die Luft bei annähernd konstantem Druck gespeichert.
Die Luft kann zum Beispiel unterirdisch in natürlichen oder zumindest teilweise künstlichen Kavernen wie 9. 9a. ... gespeichert werden, und dabei kann zur Beibehaltung eines annähernd konstanten Speielierdrtiekes zu einem Wasserausgleiehs- reservoir 20, 20a.... Zuflucht genommen wer den, wobei die Querschnitte ;
von Druekluft- speielier und Wasserreservoir sehr gross im Verhältnis zum Volumen sind, damit. kleine Spiegelschwankungen auftreten.
Da es zur Betätigung des Rüel@sehlagventils 7 bzw. 27 nur eines kleinen Druekuntersehiedes bedarf, tun die Strömung von Luft. von jedem Ver dichter zum Reservoir beginnen oder aufhören zu lassen, kann diese Luftströmung dadurch gesteuert werden, dass man mittels einer zur Förderung in beiden Richtungen. geeigneten Pumpeinrichtung .23 oder 23a den Speicher druck verändert.
Durch Hineinpumpen von Luft mit redu ziertem Durchsatz bei niedriger Aussenbela stung ist. es möglich, eine Reserve an Luft zu speichern, die gelegentlich zur Verfügung steht, wenn Spitzenbelastungen zu bewältigen sind, die über das Leistungsvermögen. der Wärmequelle 11 hinausgehen. In einem sol- ehen Fall kann eines der Ventile 38, 38a ge öffnet werden zwecks Speisung einer Lufttur bine 37, die einen Stromgenerator 39 antreibt, welcher über einen Schalter 40 an das Strom netz 3 anschliessbar ist.
In die von der Turbine 1 wegführende Abgasleitung 6c ist zur Wärmerückgewin- nung ein Vorwärmer 36 eingeschaltet und da die Turbine 1 eher den ganzen Tag hindurch läuft, ist es möglich, eine Einrichtung mit Wärme zu versorgen, die diese Wärme haupt sächlich oder ausschliesslich nur dann bedarf, wenn der Generator 2 nicht gerade die Haupt last trägt.
Bei intermittierendem Betrieb würde die Anlage automatisch funktionieren, um den Druckluftspeicher zu speisen, Nach Abgabe von Energie an die Last. während kurzer Zeit unter Verbrauch von Luft aus dem Speicher würden Mittel auf die Verminderung des Speicherdruckes ansprechen und dann die Ab schaltung der Last. von der Turbine bewirken sowie die mechanische oder elektrische Kupp lung von Turbine und Verdichter herstellen;
die Turbine treibt dann zwecks Luftaufspei- cherung den Verdichter so lange an, bis Mittel, die auf die Vollspeicherung von Luft im Re servoir ansprechen, die Turbine abstellen, wor auf ein Ventil. geschlossen wird zur Verhinde rung eines Luftabflusses vom Speicher zum Verdichter und zur Erhitzereinrichtung.