CH640601A5

CH640601A5 - Gleichdruckluftspeicheranlage mit wasservorlage fuer gasturbinenkraftwerke.

Info

Publication number: CH640601A5
Application number: CH807879A
Authority: CH
Inventors: Alfred Schwarzenbach
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1979-09-07
Filing date: 1979-09-07
Publication date: 1984-01-13
Also published as: DE2939633A1; US4403477A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichdruckluftspeicheranlage mit Wasservorlage für Gasturbinenkraftwerke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gleichdruckluftspeicheranlagen für Gasturbinenkraftwerke benötigen gegenüber gleich leistungsfähigen Luftspeicheranlagen mit variablem Luftdruck, der im Betrieb zwischen gewissen Grenzen schwanken darf, nur etwa ein Drittel des Volumens der letzteren. Dementsprechend sind der bauliche Aufwand und die Erstellungskosten einer Kaverne für Gleichdruckspeicherung weit geringer als bei Kavernen für variablen Luftdruck.

Zur Konstanthaltung des Luftdruckes bei Gleichdruck-speicherung dient eine das in der Kaverne verbrauchte Luftvolumen ausgleichende Wasservorlage mit einer Wassersäule, die in ein freies, gewöhnlich an der Erdoberfläche liegendes Bassin mündet und deren statische Druckhöhe dem in der Kaverne aufrechtzuerhaltenden Druck entspricht. Beim Laden der Kaverne, die bei heutigen Anlagen in 600-800 m Tiefe liegt, entsprechend einem statischen Druck der Wassersäule von 60-80 bar, wird das Wasser in das Bassin hinaufgedrückt, beim Entladen läuft das Wasser aus dem Bereich in die Kaverne nach, um den gleichen Druck sicherzustellen.

Beim Betrieb von Luftspeichergasturbinenanlagen hat sich gezeigt, dass beim Laden der Kaverne die in der Wasservorlage aufsteigende Wassersäule die in ihr gelöste Luft freigibt, wodurch Luftblasen mit nach oben hin rasch zunehmendem Volumen entstehen, die eine Dichteabnahme in der Wassersäule und damit einen Druckabfall in der Kaverne bewirken. Im Extremfall könnte die Wassersäule vom Druckluftpolster ausgeblasen werden und die Kaverne sich somit vollständig entleeren.

Gegenüber der normalen Lösungsgeschwindigkeit von Luft in ruhendem Wasser erfolgt in der Kaverne die volle Sättigung infolge der starken Verwirbelung des Wassers bei den Lade- und Entladevorgängen rascher, da hierbei bald alle Wasserteilchen mit der Luft in Berührung kommen. Die dabei vom Wasser aufgenommene Gewichtsmenge an Luft ist proportional dem Druck, der, wie gesagt, bei ausgeführten Anlagen zwischen 60 und 80 bar liegt. Über die dabei gelöste Luftmenge gibt folgender Vergleich Aufschluss:

Bei 1 bar Luftdruck und 10°C Temperatur enthält 1 m3 Wasser (= 1000 kg) 29,2 g Luft.

Bei 60 bar Druck und 10°C Temperatur enthält 1 m3 Wasser 1,7 kg Luft, also die etwa 58fache Gewichtsmenge. Bei Atmosphärendruck entsprechen diese 1,7 kg Luft ca. 1,32 m3. Ein von 60 bar Druck auf atmosphärischen Druck entspanntes Wasser/Luft-Gemisch enthält also mehr Luft als Wasser.

Wenn derart mit Luft gesättigtes Wasser aus der Kaverne nach oben steigt, so wird durch den abnehmenden hydrostatischen Druck die Luft frei und bildet immer grössere Blasen. Die druchschnittliche Dichte der Wassersäule wird damit immer kleiner und der Druck in der Kaverne sinkt entsprechend. Dies kann, wenn nicht entsprechende Vorkehrungen getroffen werden, zum Ausblasen des Druckluftpolsters mit der Wassersäule führen.

Eine bisher bekanntgewordene Massnahme zur Verhütung dieses Ausblasens besteht darin, das die Wassersäule enthaltende Steigrohr in einem U-förmigen Bogen unter die Sohle der Kaverne hinab zu verlängern. Der tiefste Punkt des Steigrohrs muss dabei um mindestens 0,15 h unter dem jeweiligen Wasserspiegel in der Kaverne liegen, wobei h die wirksame Druckhöhe, d.h., die Differenz zwischen den geodätischen Höhen des Oberwasserspiegels im Ausgleichsbecken und des Kavernenwasserspiegels bedeutet.

Für h = 600 m würde dies bedeuten, dass das bereits 600 m lange Steigrohr noch um mindestens 90 m tiefer geführt werden müsste, und zwar doppelt, was einen untragbar hohen baulichen Mehraufwand darstellt.

Mit der vorliegenden, im Patentanspruch 1 definierten Erfindung soll dieser schwerwiegende Nachteil vermieden werden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 zur Illustration des Standes der Technik schematisch ein Luftspeichergasturbinenkraftwerk mit einem unter die Kavernensohle hinab verlängerten Steigrohr zur Verhinderung des Ausblasens des Kaverneninhalts,

Fig. 2 das Schema einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Gleichdruckluftspeicheranlage,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer solchen Anlage, und

Fig. 4 eine Variante des oberen Steigrohrendes mit einer ringförmigen Erweiterung.

Die Gleichdruckluftspeicheranlage des in Fig. 1 dargestellten Gasturbinenkraftwerks weist ein Steigrohr auf, dessen oberer druckerzeugender Teil mit der Höhe h zwischen den Wasserspiegeln der Kaverne und des Ausgleichsbeckens senkrecht ausgebildet ist. Um ein Ausblasen der Wassersäule und damit der Kavernenluft infolge der eingangs beschriebenen Druckhöhenverminderung der Wassersäule zu vermeiden, setzt sich das Steigrohr nach unten in einem U-förmigen Kanal fort, der in die Kaverne an deren Sohle einmündet. Wie in der Einleitung erwähnt, muss sich dieser U-förmige Kanal um 0,15 h unter den im Betrieb tiefsten zulässigen Kavernenwasserspiegel hinab erstrecken, was mit einer wesentlichen Erhöhung der Anlagekosten verbunden ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Gleichdruckluftspeicheranlage weist ein an der Sohle der Kaverne 1 in dieses einmündendes schräges s

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Steigrohr 2 auf, an dessen oberem Ende zwei in aufsteigender Richtung hintereinanderliegende, senkrechte Entlüftungssteigrohre 3 und 4 abzweigen, deren Mündungen sich oberhalb des Wasserspiegels des Ausgleichsbeckens 5 befnden.

Beim Laden der Kaverne setzt das in das Steigrohr hinein verdrängte, aufsteigende Wasser immer mehr gelöste Luft frei, die sich am oberen Teil des Rohrquerschnittes ansammelt und beim Erreichen der zwei Entlüftungsrohre 3,4 mit einem Teil des Wassers in diese entweicht. Das im oberen Teil des schrägen Steigrohres 1 befindliche Wasser enthält demnach weniger Luft, weshalb die durchschnittliche Dichte der Wassersäule in einem solchen schrägen Steigrohr viel grösser ist als in einem üblichen vertikalen Steigrohr ohne Entlüftungsmittel und dadurch das Ausblasen der Wassersäule vermieden wird.

Eine noch bessere Entlüftung ergibt sich bei der Ausführung nach Fig. 3, bei der das Ausscheiden des Wassers bis zur Einmündung 7 des Steigrohres 6 in das Ausgleichsbecken hinauf erfolgt. An dieser Stelle wird die oberhalb der zwei ersten Entlüftungsrohre 8 und 9 sich noch abscheidende Luft durch ein drittes Steigrohr 10 aufgefangen, so dass durch den verbleibenden Restquerschnitt an der Einmündung 7 praktisch blasenfreies Wasser in das Ausgleichsbecken 11 austritt. Man kann annehmen, dass auf diese Weise vom Beginn des Ausscheidens der ersten grösseren Luftblasen an bis zum Erreichen der Sohle des Ausgleichsbeckens die Luftblasen s sich im oberen Teil des Steigrohrquerschnittes absondern, so dass der untere Bereich des Steigrohrquerschnittes praktisch blasenfreies Wasser enthält. Da es für die statische Druckhöhe oberhalb kapillarer Abmessungen nicht auf den Querschnitt der Wassersäule ankommt, so hängt der statische io Druck von der Dichte des weitgehend blasenfreien Wassersäulenfadens im unteren Querschnittsbereich des Steigrohres ab. Die im oberen Querschnittsbereich ausgeschiedenen Luftblasen verringern also den statischen Druck nicht. Deshalb wird die statische Druckhöhe bei den vorligenden Entlüftungseinrichtungen praktisch gleich der Druckhöhe in der ruhenden Wassersäule sein.

Um zu verhindern, dass bei schneller Druckzunahme in der Kaverne das hochschiessende Wasser/Luft-Gemisch aus den Entlüftungsrohren austritt und Sprühfahnen bildet, können in letzteren, wie in Fig. 4 gezeigt, Beruhigungskammern 12 vorgesehen sein, in denen die Luft aus dem Wasser entweichen kann, ohne dieses aus dem Entlüftungsrohr nach aussen mitzureissen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Gleichdruckluftspeicheranlage mit Wasservorlage für Gasturbinenkraftwerke, mit einer unterirdischen Kaverne zur Speicherung der Druckluft und Verbindungsleitungen zwischen der Kaverne und dem Verdichter bzw. der Gasturbine, ferner mit einem Ausgleichsbecken und einem dasselbe mit der Kaverne verbindenden Steigrohr, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr wenigstens in seinem oberen Bereich geneigt zur Horizontalen verläuft und in diesem Bereich mindestens ein Entlüftungsrohr zur Aufnahme des sich beim Laden der Kaverne in der aufsteigenden Wassersäule bildenden Wasser/Luft-Gemisches vorhanden ist, dessen oberes, freies Ende oberhalb des Wasserspiegels des Ausgleichsbeckens liegt.

2. Gleichdruckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oberste Viertel des Steigrohres geneigt ist und dieser Bereich des Steigrohres im wesentlichen unterhalb des Ausgleichbeckens verläuft.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Gleichdruckluftspeicheranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der geneigte Bereich des Steigrohres mehrere Entlüftungsrohre aufweist, von denen das oberste in der Ebene der Sohle des Ausgleichsbeckens aus dem Steigrohr abzweigt.

4. Gleichdruckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsrohre unterhalb ihres oberen, freien Endes eine Beruhigungskammer aufweisen.