CZ307966B6 - Zařízení pro výrobu elektřiny a tepla s akumulací médií - Google Patents

Abstract

Zařízení zahrnuje kompresor (1), vodní chladiče (2, 3), vzduchový akumulátor (4), plynovou turbínu (5) opatřenou rekuperátorem (9), zapojeným jednak na výfukovém potrubí (24) za její pracovní částí (7) a jednak na vzduchovém potrubí (12) mezi vzduchovým akumulátorem (4) a sekundární teplosměnnou plochou (22). Sekundární teplosměnná plocha (22) se nachází ve spalinové části (16) kotle (10) a/nebo ve vzduchovém ohříváku (33), připojenému ke spalinovému prostoru (16) kotle (10). Prostory pro proudění spalin jsou vybaveny regulačními klapkami (28, 29).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká oblasti energetiky. Je vyřešeno zařízení pro výrobu elektřiny a tepla s akumulací médií, umožňující provoz v různých pracovních režimech podle aktuálního množství energie v distribuční síti, a to se spalováním fosilních paliv nebo alternativních paliv.

Dosavadní stav techniky

V současné době se vývoj v oblasti energetiky zaměřuje zejména jednak na přechod na spalování alternativních paliv nebo zemního plynu a jednak na zefektivnění současné výroby elektřiny a tepla, resp. teplé vody, pomocí akumulace médií při využití obnovitelných zdrojů, což umožní eliminovat kolísání množství elektřiny v distribuční síti. V distribuční síti se zpravidla střídá období s nedostatkem elektřiny, kdy je její odběr největší, s obdobím, v němž je v distribuční síti přebytek elektřiny a její odběr je malý. Je nutné trvale zajistit, aby nedošlo ke kolapsu u odběratelů následkem nedostatku elektřiny, avšak ani trvalý přebytek elektřiny v distribuční síti není z důvodů stability sítě žádoucí. Současné metody a zařízení pro výrobu elektřiny se proto zaměřují na snahu přebytečnou energii v době jejího přebytku akumulovat, a využít ji pak účelně pro období energetické špičky.

Mezi tyto metody patří i způsob akumulace energie a výroby elektřiny v systému mechanické akumulace, popsaném v US 3151250 A. Při tomto způsobu se přebytečná elektřina z distribuční sítě využije k pohonu vzduchového kompresoru, vyrobený tlakový vzduch se shromažďuje do podzemního vzduchového akumulátoru a použije se pro výrobu elektřiny v době nedostatku. To se provádí tak, že v době přebytku elektřiny v distribuční síti se odvádí alespoň část přebytečné elektřiny z distribuční sítě a touto přebytečnou elektřinou se pohání alespoň jeden vzduchový kompresor. Vzduchový kompresor při svém provozu vyrábí tlakový vzduch, jenž se během výroby ochlazuje vodou pomocí alespoň jednoho vodního chladiče, a takto vyrobený tlakový vzduch se v ochlazeném stavu odvádí do podzemního vzduchového akumulátoru a v něm se shromažďuje. Voda, která ochlazuje tlakový vzduch, se teplem předaným od tlakového vzduchu ve vodním chladiči ohřívá a v ohřátém stavu se odtud odvádí k dalšímu využití. Později, v období bez přebytku elektřiny v distribuční síti, se vzduchový kompresor vypne, čímž se ukončí odběr elektřiny z distribuční sítě, a během vypnutého stavu vzduchového kompresoru se vzduch shromážděný v podzemním vzduchovém akumulátoru z tohoto vzduchového akumulátoru odebírá a vede se přes rekuperační výměníky do plynové turbíny. Plynová turbína spaluje palivo za vzniku horkých spalin, přičemž spaliny se z plynové turbíny odvádí okruhem přes zmíněné rekuperační výměníky k výfuku, z něhož se odfůkují do ovzduší. Celý proud vzduchu se tedy bez rozdělení cestou od vzduchového akumulátoru do plynové turbíny předehřívá v rekuperátorech spalinami odváděnými z plynové turbíny přes rekuperátory a výfuk do ovzduší. Zařízení pro akumulaci energie a výrobu elektřiny uvedeným způsobem zahrnuje vzduchový kompresor, vybavený alespoň jedním vodním chladičem připojeným na vodním potrubí, kde za vzduchovým kompresorem je na vzduchovém potrubí připojen vzduchový akumulátor, za ním alespoň jeden rekuperátor a za ním plynová turbína. Plynová turbína zahrnuje spalovací komoru se spalinovým odvodem a je vybavena elektrickým generátorem. Na spalinový odvod z plynové turbíny je připojeno spalinové potrubí, které vede přes zmíněný rekuperátor k výfuku pro odfůkování ochlazených spalin do ovzduší. Je rovněž obsaženo nutné propojovací vzduchové potrubí, spalinové potrubí a vodní potrubí. Také jsou obsaženy obvyklé uzavírací a regulační armatury.

Systémy využívající princip akumulace médií pro výrobu elektřiny s ohledem na kolísání množství elektrické energie v dodavatelské síti v současné době existují například pod názvy AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage), G CAES ( Generál Compression Advanced Energy Storage), ICARES (Integrated Compressed Air Renewable

- 1 CZ 307966 B6

Energy Systém) nebo ADELE (Adiabater Drukluftspeicher tur die Elektrizitátsversorgung). Tato zařízení a jejich provoz popisuje článek o názvu „Akumulace elektřiny u decentrálních kogeneračních energetických zdrojů“ autorů Ladislav Vilimec, Jaroslav Konvička, zveřejněný na http://www.decentralnienergetika.cz/clanek/akumulace-elektriny-u-decentralnich-energetickychzdrojů/dne 17.10.2017.

V rámci výše uvedených systémů existují již nyní zařízení pro výrobu elektřiny, zahrnující vzduchový kompresor, vybavený alespoň jedním vodním chladičem připojeným na vodním potrubí, kde za vzduchovým kompresorem je na vzduchovém potrubí připojen vzduchový akumulátor a za ním plynová turbína. Plynová turbína zahrnuje spalovací komoru se spalinovým odvodem a je vybavena elektrickým generátorem a v některých případech i dalším, vlastním kompresorem. Spalinový odvod z plynové turbíny je přes rekuperační výměník připojen k výfuku do ovzduší. V době přebytku elektřiny v distribuční síti se odvádí alespoň část přebytečné elektřiny z distribuční sítě a touto přebytečnou elektřinou se pohání alespoň jeden vzduchový kompresor. Vzduchový kompresor při svém provozu vyrábí tlakový vzduch, jenž se během výroby ochlazuje vodou pomocí alespoň jednoho vodního chladiče, a takto vyrobený tlakový vzduch se v ochlazeném stavu odvádí do podzemního vzduchového akumulátoru a v něm se shromažďuje. Voda, která ochlazuje tlakový vzduch, se teplem předaným od tlakového vzduchu ve vodním chladiči ohřívá a v ohřátém stavu se odtud odvádí k dalšímu využití. Později, v období bez přebytku elektřiny v distribuční síti, se vzduchový kompresor vypne, čímž se ukončí odběr elektřiny z distribuční sítě, a během vypnutého stavu vzduchového kompresoru se vzduch shromážděný ve vzduchovém akumulátoru z tohoto vzduchového akumulátoru odebírá a vede se přes rekuperační výměníky do plynové turbíny. Plynová turbína spaluje palivo za vzniku horkých spalin, přičemž spaliny se z plynové turbíny odvádí okruhem přes zmíněné rekuperační výměníky k výfuku, z něhož se odfůkují do ovzduší. Celý proud vzduchu se tedy bez rozdělení cestou od vzduchového akumulátoru do plynové turbíny předehrivá v rekuperátorech spalinami odváděnými z plynové turbíny přes rekuperátory a výfuk do ovzduší.

Uvedená dosavadní zařízení pracují převážně jako samostatné jednotky, většinou ve střídavém režimu. Tedy buď vyrábí elektřinu s využitím akumulovaných médií, nebo v době přebytku elektřiny v distribuční síti akumulují média. U těchto zařízení a na nich provozovaných metodách výroby elektřiny se vzduch pro provoz plynové turbíny předehrivá nejčastěji buď tak, že se vzduch do plynové turbíny vede přes rekuperační výměníky zapojené na spalinovém potrubí mezi plynovou turbínou a výfukem, nebo se vede přes přídavné zařízení, v němž se přídavně spaluje zemní plyn.

Všechny tyto v současné době známé systémy mají nevýhodu v tom, že vyžadují přitápění zemním plynem, nebo musejí využívat speciální jednotky pro dosažení vysoké teploty před plynovou turbínou, jako jsou např. vysokoteplotní a vysokotlaké kompresory či vysokoteplotní rekuperátory. Tyto speciální jednotky jsou velmi složité a nákladné, přičemž jsou vhodné pro akumulační jednotky vysokých výkonů, jako 100 až 300 MW. Vzhledem k jejich velkému výkonu, je výstavba takových jednotek možná jen v blízkosti podzemních velkokapacitních vzduchových akumulátorů pro akumulaci tlakového vzduchu, což je pouze v lokalitách nepropustných podzemních prostor, jako například solných dolů, nebo případně v oblastech mořského pobřeží s dostupnou hloubkou kolem 500 m, kde se tlakový vzduch může skladovat ve vacích ukotvených na mořském dnu.

Pro akumulační jednotky menších výkonů, například 10 až 20 MW, které jsou vhodné pro decentrální energetické zdroje s dodávkou tepla, nejsou systémy vázané na lokalitu s výše popsaným velkokapacitním vzduchovým akumulátorem vhodné. Většinou totiž taková lokalita nesouvisí s lokalitou decentrálního energetického zdroje, který je vázán na odběr tepla.

Mezi současnými energetickými systémy existují i energetické zdroje s kogenerační plynovou turbínou, která zahrnuje spalovací komoru se spalinovým odvodem a je vybavena elektrickým generátorem a vlastním kompresorem, přičemž na spalinový odvod z plynové turbíny je

-2CZ 307966 B6 připojeno spalinové potrubí, na kterém je připojeno horkovodní zařízení pro ohřev vody. Je rovněž obsaženo nutné propojovací vzduchové potrubí, spalinové potrubí a vodní potrubí. Také jsou obsaženy obvyklé uzavírací a regulační armatury. Horkovodní zařízení zahrnuje horkovodní kotel, ve kterém se nachází v prostoru průchodu horkých spalin umístěné teplosměnné plochy, které jsou uspořádané z vodních trubic. Dále horkovodní zařízení zahrnuje výměníkovou stanici, která je opatřena horkovodním odvodem pro odvádění teplé vody ze zařízení. Výroba horké vody je zajištěna tím, že teplosměnné plochy horkovodního kotle jsou připojeny k výměníkové stanici, což je provedeno pomocí vstupní a výstupní vodní větve, čímž je vytvořen cirkulační okruh pro ohřev vody. V případě výše uvedené plynové turbíny s připojeným horkovodním zařízením jsou spaliny z plynové turbíny odváděny do horkovodního zařízení pro výrobu horké vody, přičemž do horkovodního zařízení se přivádí voda a ta se zde spalinami ohřívá za současného ochlazování spalin. Nakonec se z horkovodního zařízení ohřátá voda odebírá. Ochlazené spaliny, které prošly přes horkovodní zařízení, se vypouští do ovzduší. Takový popsaný kogenerační zdroj dodává elektřinu a teplo, ale nepodílí se na akumulaci médií v době přebytku elektřiny v distribuční síti, ani nedodává špičkovou elektřinu z energie, shromážděné v akumulovaných médiích, zpět do distribuční sítě v době nedostatku elektřiny v distribuční síti.

Nový systém současné výroby elektřiny a tepla, využívající akumulaci médií u menších kogeneračních jednotek s plynovou turbínou, je popsán v přihlášce vynálezu CZ 307836 B6 a užitném vzoru CZ 31659 Ul. V době přebytku elektřiny v distribuční síti se odvádí elektřina, kterou se pohání primární kompresor vyrábějící tlakový vzduch, jenž se během výroby ochlazuje vodou. Takto vyrobený tlakový vzduch se v ochlazeném stavu odvádí do vzduchového akumulátoru a tam se shromažďuje, přičemž se současně ohřívá voda ochlazující tlakový vzduch. V ohřátém stavu se voda odvádí do horkovodního akumulátoru, kde se shromažďuje. Poté se primární kompresor vypne, čímž se ukončí odběr elektřiny z distribuční sítě, a během vypnutého stavu primárního kompresoru se vzduch shromážděný ve vzduchovém akumulátoru ze vzduchového akumulátoru odebírá a vede se do plynové turbíny spalující palivo za vzniku horkých spalin. Horké spaliny se z plynové turbíny odvádí do horkovodního zařízení pro výrobu horké vody, v němž se vedou kolem alespoň jedné primární teplosměnné plochy, do které se přivádí voda, která se zde spalinami ohřívá za současného ochlazování spalin. Nakonec se z horkovodního zařízení ohřátá voda odebírá a ochlazené spaliny se vypustí do ovzduší. Vzduch se po odebrání ze vzduchového akumulátoru ještě před přivedením do plynové turbíny řízené předehrivá na potřebnou vstupní teplotu pro plynovou turbínu teplem ze spalin proudících z plynové turbíny. To se provádí tak, že vzduch se před vstupem do plynové turbíny rozděluje ve dva vzduchové proudy, z čehož jeden vzduchový proud se odvádí do alespoň jedné sekundární teplosměnné plochy, která je umístěna v horkých spalinách proudících z plynové turbíny k primární teplosměnné ploše, a zde se vzduch spalinami ohřívá na vyšší teplotu, načež se v ohřátém stavu přimísí ke druhému vzduchovému proudu, přičemž se pro ohřev spalinami odebírá takové množství vzduchu, které je potřeba pro dosažení požadované vstupní teploty vzduchu na vstupu do plynové turbíny. V době předehřívání vzduchu teplem od spalin se teplo chybějící horkovodnímu zařízení pro ohřev vody následkem jeho odebírání pro předehřev vzduchu nahrazuje v horkovodním zařízení tak, že se do horkovodního zařízení přivádí ohřátá voda, která se sem odvádí ze zásoby shromážděné v horkovodním akumulátoru. Během střídavého režimu s vypnutým primárním kompresorem, to je bez odběru elektřiny z distribuční sítě, a režimu, při kterém je primární kompresor v provozu a z distribuční sítě se odebírá elektřina, se předehřev vzduchu spalinami odvedenými z plynové turbíny provádí pouze v době režimu s vypnutým primárním kompresorem. Během provozu plynové turbíny v režimu, při kterém je primární kompresor v provozu a odebírá se elektřina z distribuční sítě, je možno plynovou turbínu dočasně odstavit z provozu, a i během této odstávky akumulovat jednak vzduch vyrobený primárním kompresorem a jednak vodu ohřátou ochlazováním vzduchu vyráběného primárním kompresorem. V době, kdy se odebírá vzduch ze vzduchového akumulátoru, se vzduch přiváděný do plynové turbíny předehrivá na teplotu nejméně tak velkou, jako je teplota vzduchu přiváděného do plynové turbíny při jejím provozu bez odběru vzduchu ze vzduchového akumulátoru. Zařízení zahrnuje primární kompresor, vybavený alespoň jedním vodním chladičem připojeným na vodním potrubí. Za primárním kompresorem je na vzduchovém potrubí

-3 CZ 307966 B6 připojen vzduchový akumulátor a za ním plynová turbína. Tato plynová turbína zahrnuje spalovací komoru se spalinovým odvodem a je vybavena elektrickým generátorem a vlastním, sekundárním kompresorem. Na spalinovém odvodu z plynové turbíny je připojeno spalinové potrubí, na kterém je připojeno horkovodní zařízení pro ohřev vody. Horkovodní zařízení zahrnuje jednak horkovodní kotel, ve kterém se nachází primární teplosměnné plochy uspořádané z vodních trubic, a jednak výměníkovou stanici s horkovodním odvodem pro teplou vodu. Primární teplosměnné plochy horkovodního kotle jsou připojeny k výměníkové stanici pomocí vstupní a výstupní vodní větve. Za plynovou turbínou se ještě před výměníkovou stanicí v prostoru pro průchod spalin nachází alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha ze vzduchových trubic, které jsou připojeny prostřednictvím vstupní a výstupní vzduchové větve v uvedeném pořadí ke vzduchovému potrubí v úseku nacházejícím se mezi vzduchovým akumulátorem a plynovou turbínou. Vstupní vzduchová větev je opatřena regulační armaturou. Jako vstupní vzduchová větev se rozumí potrubní větev připojená na vstup do sekundární teplosměnné plochy a jako výstupní vzduchová větev se rozumí potrubní větev připojená na výstup ze sekundární teplosměnné plochy. Alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha je umístěna buď ve vzduchovém ohříváku zařazeném na spalinovém potrubí před horkovodním kotlem, a/nebo uvnitř v horkovodním kotli, kde je uložena v sérii a/nebo paralelně vůči primárním teplosměnným plochám. Případně je obsažen horkovodní akumulátor, jenž je zapojen na vodním potrubí za některým z vodních chladičů primárního kompresoru. Vodní potrubí vyústěné z tohoto horkovodního akumulátoru má svůj konec připojen na vstup do výměníkové stanice horkovodního zařízení.

Nevýhodou zařízení podle CZ 307836 B6 a CZ 31659 U1 je, že jejich použití je podmíněno přítomností spalovací plynové turbíny, která je vysoce náročná na použitá paliva, a tudíž je lze použít pouze při spalování vysoce kvalitních paliv, jako je zemní plyn nebo oleje. Zařízení tohoto typu jsou využitelná pouze pro energetické zdroje nižších výkonů, které zajišťují výrobu elektřiny a tepla. Další nevýhodou je, že uvedená zařízení nelze použít pro výtopny, tedy pro zařízení pouze k dodávce tepla, a nikoliv k dodávce elektřiny.

V dokumentu US 2005109034 AI je popsáno zařízení na výrobu elektřiny, které je v jednom provedení tvořeno kompresorem napojeným na kondenzátor, tedy chladič, ve kterém se ochlazuje stlačený vzduch před vstupem do zásobníku. Ze zásobníku se stlačený vzduch přivádí do protiproudého tepelného výměníku, kde se ohřívá teplem spalin ze spalovací komory. Ohřátý stlačený vzduch se přivádí na expanzní turbínu. Expandovaný vzduch se přivádí do spalovací komory a spolu se spalinami se odvádí přes tepelný výměník do komína. Zařízení podle

US 2005109034 AI umožňuje vyrábět elektřinu, a kromě elektřiny dodávat také malé množství tepla do vnějšího systému. Nevýhodou tohoto zařízení je, že neobsahuje žádné horkovodní zařízení, a tudíž neumožňuje výrobu teplé užitkové vody. Další nevýhodou tohoto zařízení je, že umožňuje pouze vyrábět velmi malé množství tepla. Toto zařízení představuje málo efektivní systém, není vhodné pro střídavý režim v době energetické špičky a v době mimo špičku a není využitelné pro spalování komunálních odpadů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody podstatně omezuje vynález.

Zařízení pro výrobu elektřiny s využitím akumulace médií podle vynálezu zahrnuje alespoň jeden kompresor, vzduchový akumulátor, plynovou turbínu s pracovní částí a elektrickým generátorem, horkovodní zařízení, nutné propojovací vzduchové potrubí, vodní potrubí a nutné uzavírací a regulační prvky. Kompresor je vybaven alespoň jedním vodním chladičem zapojeným na jeho vzduchovém potrubí. Vzduchový akumulátor je připojen na vzduchovém potrubí za kompresorem. Horkovodní zařízení obsahuje kotel a výměníkovou stanici, kde uvnitř kotle se nachází primární teplosměnné plochy uspořádané z vodních trubic a připojené pomocí vstupní a výstupní vodní větve k výměníkové stanici. Výměníková stanice je vybavena horkovodním

-4CZ 307966 B6 odvodem, uspořádaným pro odvádění výstupního média, nesoucího v sobě vyrobené teplo v podobě horké vody. V horkovodním zařízení se kromě primárních teplosměnných ploch nachází také alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha, která je uspořádaná ze vzduchových trubic a je zapojena na vzduchovém potrubí, se vstupem situovaným za vzduchovým akumulátorem a s výstupem situovaným před přívodem vzduchu do pracovní části plynové turbíny. Vodní chladič kompresoru je zapojen na vodním potrubí, které je přivedeno od vodního zdroje a má konec zaústěný do výměníkové stanice. Sekundární teplosměnné plochy pro předehřev vzduchu mají výstup připojen na vstup do pracovní části expanzní plynové turbíny, tedy turbíny bez spalovací části. Odvod plynů z plynové turbíny je proveden jako výfuk pro expandovaný vzduch, vyvedený vně zařízení. Podstatou nového řešení je, že na výfukovém potrubí za pracovní částí plynové turbíny je zapojen rekuperátor, který je současně zapojen na vzduchovém potrubí mezi vzduchovým akumulátorem a sekundárními teplosměnnými plochami, které jsou v zařízení umístěny v prostoru pro spaliny produkované kotlem horkovodního zařízení. Spalovací část pro spalování paliv je totiž v zařízení podle vynálezu vytvořena jako součást kotle horkovodního zařízení a sekundární teplosměnné plochy se nachází v prostoru, do něhož ústí tato spalovací část kotle.

Alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha se s výhodou nachází přímo ve spalinovém prostoru uvnitř kotle.

V tom případě se s výhodou alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha nachází uvnitř kotle paralelně vůči alespoň jedné primární ploše a prostor mezi nimi je rozdělen přepážkou, přičemž takto vytvořené spalinové kanály, vůči sobě prostřednictvím přepážky navzájem oddělené, jsou každý opatřen alespoň jednou regulační klapkou.

Alternativně, nebo přídavně, se s výhodou alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha nachází ve vzduchovém ohříváku situovaném mimo tělo kotle. V tom případě je vnitřní prostor vzduchového ohříváku připojen ke spalinovému prostoru kotle prostřednictvím spalinového přívodu do vzduchového ohříváku a spalinového odvodu z ohříváku, přičemž spalinový prostor uvnitř kotle je opatřen první regulační klapkou a spalinový odvod ze vzduchového ohříváku je opatřen druhou regulační klapkou. Z toho první regulační klapka se nachází ve spalinovém odvodu a druhá regulační klapka se nachází pod ústím spalinového odvodu do spalinového prostoru, nad první primární teplosměnnou plochou.

V okruhu zařízení je s výhodou zapojen horkovodní akumulátor. Je zapojen na vodním potrubí za vodním chladičem kompresoru, před výměníkovou stanicí.

Zařízení podle vynálezu je vhodné pro výrobu elektřiny a tepla v teplárnách, a to se střídavým provozem s odběrem elektřiny ze sítě a bez odběru, zejména podle toho, jestli je v dodavatelské síti právě přebytek nebo nedostatek elektřiny. Největší výhodou vynálezu proti dosavadním zařízením je, že vynález umožňuje provádět výše uvedený střídavý provoz, aniž by bylo nutné používat pouze vysoce kvalitní paliva, jako zemní plyn nebo olej. Při využívání vynálezu je možné používat i nekvalitní a alternativní paliva, jako fosilní paliva, paliva z hutí apod. Další výhodou je, že zařízení a jeho provoz jsou bez vysokých nákladů a není nutné budování složité kogenerační jednotky závislé na přítomnosti spalovací turbíny. Vynález je využitelný rovněž i pro výtopny, tedy zařízení určená pouze pro dodávku tepla, a nikoliv pro současnou dodávku elektřiny.

Objasnění výkresů

Vynález je objasněn pomocí výkresů, kde znázorňují obr. 1 energetickou centrálu se sekundárními teplosměnnými plochami uvnitř kotle a obr. 2 energetickou centrálu se sekundárními teplosměnnými plochami ve vzduchovém ohříváku vně kotle.

-5 CZ 307966 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Názorným příkladem provedení vynálezu je energetická centrála pro výrobu elektřiny a tepla s akumulací médií podle obrázku obr. 1.

Hlavními prvky této energetické centrály jsou kompresor 1, dva vodní chladiče 2, 3, vzduchový akumulátor 4, plynová turbína 5 a horkovodní zařízení 6. Je použita nikoliv spalovací, nýbrž expanzní plynová turbína 5, obsahující expanzní pracovní část 7 a mající připojený elektrický generátor 8 a ve výhodném provedení energetické centrály také rekuperátor 9. Horkovodní zařízení 6 zahrnuje kotel 10 a výměníkovou stanici 11. První vodní chladič 2 je zapojen jednak na vzduchovém potrubí 12 kompresoru 1 a jednak na vodním potrubí 13 s přívodem vody z vhodného zdroje a oběhovým čerpadlem 14. Druhý vodní chladič 3 je zapojen na vzduchovém potrubí 12 za kompresorem 1, ještě před vzduchovým akumulátorem 4, a současně na vodním potrubí 13. Vzduchový akumulátor 4 je zapojen na vzduchovém potrubí 12 za kompresorem 1 a druhým vodním chladičem 3. V okruhu energetické centrály je zapojen kotel 10, který má dole vytvořenu spalovací část 15 pro spalování paliv. Vynález umožňuje použít kotel 10 pro běžná fosilní paliva, pevná, kapalná i plynná, jakož i pro alternativní paliva, například dřevní štěpky. Spalovací část 15 je vyústěna do vnitřní dutiny kotle 10 určené pro průchod spalin, spalinové části 16. V ní se nachází primární teplosměnné plochy 17, 18, uspořádané z vodních trubic a připojené pomocí vstupní a výstupní vodní větve 19, 20 k výměníkové stanici 11. Vstupní vodní větev 19 vede z výměníkové stanice 11 do spalinové části 16 kotle 10 a výstupní vodní větev 20 vede ze spalinové části 16 kotle 10 do výměníkové stanice 11. Výměníková stanice 11 má horkovodní odvod 21 pro výstupní médium nesoucí v sobě vyrobené teplo, tedy pro horkou vodu. Přímo ve spalinové části 16 kotle 10 je situována sekundární teplosměnná plocha 22, uspořádaná ze vzduchových trubic. Je zapojena na vzduchovém potrubí 12, se vstupem za vzduchový akumulátorem 4 a rekuperátorem 9 a výstupem před přívodem vzduchu do pracovní části 7 expanzní plynové turbíny 5. Na vzduchovém potrubí 12 je mezi vzduchovým akumulátorem 4 a plynovou turbínou 5 umístěna připojovací armatura 23. Rekuperátor 9 je obsažen ve výhodném provedení centrály na výfukovém potrubí 24 za pracovní částí 7 expanzní plynové turbíny 5, avšak není nezbytný. Může být případně vynechán, nebo místo něj může být obsažen ohřívač vody jiného druhu. Odvod plynů, tedy expandovaného vzduchu, z plynové turbíny 5 se uskutečňuje výfukem 25 pro expandovaný vzduch. Odvod plynů, resp. spalin, z kotle 10 se uskutečňuje přes komín 26.

Uvnitř kotle 10 jsou v jeho spalinové části 16 umístěny primární teplosměnné plochy 17, 18 nad sebou. Sekundární teplosměnná plocha 22 je uvnitř kotle 10 umístěna paralelně vůči první primární teplosměnné ploše 17 a prostor mezi nimi je rozdělen přepážkou 27. Takto vytvořené spalinové kanály, vůči sobě prostřednictvím přepážky 27 navzájem oddělené, jsou každý opatřen alespoň regulační klapkou 28, 29, umožňující regulovat průchod spalin. Druhá primární teplosměnná plocha 18 je v tomto příkladném provedení umístěna v horní části kotle 10, což umožňuje využít ještě i zbytkové teplo spalin před jejich odchodem do komína 26.

Na vodním potrubí 13 je zapojen horkovodní akumulátor 30, který je zapojen na vodním potrubí za vodními chladiči 2, 3 kompresoru 1, ještě před zaústěním vodního potrubí 13 do výměníkové stanice 11. Mezi horkovodním akumulátorem 30 a výměníkovou stanicí 11 může být případně zapojen ještě další vhodný prvek. Před vstupem do výměníkové stanice 11 je na vodním potrubí 13 zařazena vstupní armatura 31. Vodní potrubí 13 je připojeno svým vstupem k na obrázcích neznázoměnému vhodnému vodnímu zdroji, například k nádrži.

Jiným názorným příkladem provedení vynálezu je energetická centrála pro výrobu elektřiny a tepla s akumulací médií podle obrázku obr. 2.

-6CZ 307966 B6

Tato centrála se liší od předchozího příkladného provedení tím, že sekundární teplosměnná plocha 22 je situována mimo těleso kotle 10, ve vzduchovém ohříváku 33. Tento vzduchový ohřívák 33 má svůj vnitřní prostor 32 propojen se spalinovým prostorem, nacházejícím se ve spalinové části 16 kotle 10. To je provedeno prostřednictvím spalinového přívodu 34 do vzduchového ohříváku 33 a spalinového odvodu 35 ze vzduchového ohříváku 33. Také v případě této varianty provedení je zajištěna možnost regulace proudění spalin pomocí regulačních klapek 28, 29. Spalinový odvod 35 ze vzduchového ohříváku 33 je opatřen první regulační klapkou 28 a spalinový prostor ve spalinové části 16 uvnitř kotle 10 je opatřen druhou regulační klapkou 29. Druhá regulační klapka 29 se nachází pod ústím spalinového odvodu 35 a současně nad první primární teplosměnnou plochou 17.

Energetická centrála podle obrázků obr. 1 nebo obr. 2 se provozuje následovně. Jejím prostřednictvím se uskutečňuje způsob výroby elektřiny a tepla s akumulací médií, při kterém se v době přebytku elektřiny v distribuční síti odvádí alespoň část přebytečné elektřiny z distribuční sítě a takto odebíranou elektřinou se pohání alespoň kompresor 1, který při svém provozu vyrábí tlakový vzduch. Tlakový vzduch se během výroby ochlazuje vodou ve vodních chladičích 2, 3 a v ochlazeném stavu se odvádí do vzduchového akumulátoru 4, kde se shromažďuje. Voda, která ochlazuje tlakový vzduch, se ve vodních chladičích 2, 3 teplem předaným od tlakového vzduchu ohřívá a v ohřátém stavu se v podobě horké vody odvádí, buď přímo do výměníkové stanice 11 horkovodního zařízení 6, nebo, pokud je obsažen horkovodní akumulátor 32 jako v tomto příkladu, se do výměníkové stanice 11 horká voda odvádí řízené přes horkovodní akumulátor 32 podle potřeby tak, jak je popsáno dále. Následně se ukončí odběr elektřiny z distribuční sítě tím, že se kompresor 1 vypne, a poté, během vypnutého stavu kompresoru 1, se vzduch shromážděný předtím ve vzduchovém akumulátoru 4 ze vzduchového akumulátoru 4 odebírá. Během provozu i mimo provoz kompresoru 1 se v horkovodním zařízení 6 vyrábí výstupní médium pro dodávku tepla ven ze zařízení v podobě teplé vody. Teplo pro dodávku teplé vody se získává pomocí cirkulace vody v horkovodním zařízení 6. Voda se vede z výměníkové stanice 11 vstupní vodní větví 19 do primárních teplosměnných ploch 17, 18, kde se ohřeje spalinami, a pak se odvede v podobě horké vody nebo páry výstupní vodní větví 20 zpět do výměníkové stanice 11. Z výměníkové stanice 11 se pak jakožto výstupní médium odvádí podle potřeby horkovodním odvodem 21 horká voda vně zařízení. Během doby, kdy je kompresor 1_ mimo provoz, se vzduch odebraný ze vzduchového akumulátoru 4 odvádí do plynové turbíny 5 s připojeným elektrickým generátorem 8, ale ještě před přivedením do pracovní části 7 expanzní plynové turbíny 5 se vzduch předehrivá. To se provádí tak, že se vzduch nechává proudit přes sekundární teplosměnnou plochu 22, ohřívanou kolem proudícími spalinami, a teprve ve stavu předehřátém na stanovenou teplotu se vzduch vede do pracovní části 7 plynové turbíny 5. Veškeré spaliny, jak pro předehřev vzduchu přiváděného do pracovní části 7 plynové turbíny 5, tak i pro ohřev vody v horkovodním zařízení 6, se vyrábí spalováním paliva v kotli 10 horkovodního zařízení 6. Sekundární teplosměnná plocha 22 se ohřívá spalinami ze spalování paliva v kotli 10. Výroba elektřiny se realizuje pomocí expanze předehřátého vzduchu v pracovní části 7 plynové turbíny 5, přičemž expandovaný vzduch se z plynové turbíny 5 odvádí vně zařízení. Ještě před předehřátím v sekundární teplosměnné ploše 22 se vzduch odvedený ze vzduchového akumulátoru 4 předehrivá vzduchem vypouštěným po expanzi z expanzní pracovní části 7 plynové turbíny 5, bez vzájemného smísení, prostřednictvím rekuperátoru 9. Během provozu se reguluje průtok spalin pomocí regulačních klapek 28, 29 tak, aby se nastavil takový průtok spalin přes sekundární teplosměnnou plochu 22, aby bylo dosaženo požadované teploty vzduchu na výstupu ze sekundární teplosměnné plochy 22. Přitom horké spaliny proudí ve stále stejném množství ze spalovací části 15 kotle 10 do spalinové části 16 kotle 10, a rozdělují se ve dva proudy tak, aby ve větším nebo menším množství proudily kolem první primární teplosměnné plochy 17 a sekundární teplosměnné plochy 22, a pak se spojují opět v jeden proud a kolem druhé primární teplosměnné plochy 18 odcházejí do komína 26. Celkové množství spalin odcházejících přes komín 26 ze zařízení zůstává stejné, nemění se.

Voda, která se ve vodních chladičích 2, 3 ohřála teplem předaným od horkého tlakového vzduchu, ohřátého kompresí v kompresoru 1, se vede přes horkovodní akumulátor 30 do

-7 CZ 307966 B6 výměníkové stanice 11. V horkovodním akumulátoru 30 se horká voda shromažďuje a do výměníkové stanice 11 se odtud odvádí řízené v takovém množství, aby se horkovodnímu zařízení 6 nahradilo teplo, které mu bylo odebráno sekundární teplosměnnou plochou 22 při předehřevu vzduchu. Tím, že se takto do výměníkové stanice 11 přivádí potřebné množství ohřáté vody ze zásoby shromážděné v horkovodním akumulátoru 30, je dosaženo, že energetická centrála vyrábí, a může přes horkovodní odvod 21 dodávat odběrateli, trvale stabilní množství tepla v podobě horké vody podle požadavků a není závislá na okamžitém stavu provozu kompresoru 1, ani na okamžitém stavu plynové turbíny 5.

Během doby odstavení kompresoru 1 z provozu, nebo i během provozu kompresoru 1, se může kotel 10 a s ním i celé horkovodní zařízení 6 dočasně odstavit z provozu, například z důvodu potřeby údržby, nebo když se nepožaduje dodávka tepla ze zařízení. V tom případě se s výhodou může i během této dočasné odstávky kotle 10 do vzduchového akumulátoru 4 shromažďovat vzduch vyrobený kompresorem ý a do horkovodního akumulátoru 30 shromažďovat voda ohřátá ochlazováním tlakového vzduchu vyráběného kompresorem 1.

Výše jsou uvedeny způsoby provozu, které nelze provozovat na jiném zařízení, než je zařízení podle vynálezu. Energetickou centrálu podle vynálezu lze však s výhodou provozovat v celkem čtyřech pracovních režimech, popsaných níže.

První pracovní režim představuje provozování energetické centrály v době přebytku elektřiny v distribuční síti při současné akumulaci médií a dodávce tepla. Jedná se o současný provoz horkovodního zařízení 6 a primárního kompresoru 1, s odběrem elektřiny z distribuční sítě. Do vzduchového akumulátoru 4 se shromažďuje vzduch, přičemž odběr vzduchu ze vzduchového akumulátoru 4 je odstaven, připojovací armatura 23 je uzavřená. Do horkovodního akumulátoru 30 se shromažďuje horká voda, přičemž odběr horké vody z horkovodního akumulátoru 30 je odstaven, vstupní armatura 31 je uzavřená. Přes horkovodní odvod 21 je odběrateli dodáván projektovaný tepelný výkon.

Druhý pracovní režim představuje provozování energetické centrály pro výrobu elektřiny s využitím akumulovaných médií v době nedostatku elektřiny v distribuční síti. Primární kompresor 1 je vypnutý a zařízení neodebírá z distribuční sítě žádný proud. V provozuje plynová turbína 5 i horkovodní zařízení 6 a jsou využívána média nahromaděná ve vzduchovém akumulátoru 4 a horkovodním akumulátoru 30. Připojovací armatura 23 i vstupní armatura 31 jsou otevřeny. Regulační klapky 28, 29 jsou otevřeny podle potřeby, což je řízeno řídicí jednotkou, která takto zajišťuje potřebnou teplotu vzduchu na vstupu do expanzní pracovní části 7 plynové turbíny 5. Při otevřené připojovací armatuře 31 se odebírá ze vzduchového akumulátoru 30 vzduch, který se po předehřevu v rekuperačním výměníku 9 dále ohřívá v sekundární teplosměnné ploše 22 spalinami v kotli 10 na požadovanou teplotu. Během provozu pracovní části 7 plynové turbíny 5 elektrický generátor 8 vyrábí elektřinu a dodává ji do distribuční sítě. Ohřevem vzduchu v sekundární teplosměnné ploše 22 se spaliny proudící ke druhé primární teplosměnné ploše 18 ochladí. Aby se tímto nesnížila i velikost odváděného tepla horkovodním odvodem 21 z výměníkové stanice 11, chybějící teplo se do výměníkové stanice 11 dodává z horkovodního akumulátoru 30 ve formě horké vody. To se zajistí tak, že vstupní armaturou 31 se nastaví takový průtok vody ve vodním potrubí 13 do horkovodního zařízení 6, aby množství odváděného tepla z výměníkové stanice 11 přes horkovodní odvod 21 bylo stejné, jako při provozu energetické centrály podle první pracovní varianty. Výroba elektřiny se ukončí při poklesu tlaku ve vzduchovém akumulátoru 4 na hodnotu blížící se tlaku okolního vzduchu.

Třetí pracovní režim představuje dočasné provozování energetické centrály jen pro akumulaci médií, prováděnou pouze v časovém úseku přebytečné elektřiny v distribuční síti. Plynová turbína 5 a horkovodní zařízení 6 jsou odstaveny, je odstavený i kotel 10 a jeho spalovací část 15. Vstupní armatura 31 a připojovací armatura 23 jsou uzavřeny. V provozu je kompresor 1, jenž odebírá z distribuční sítě elektřinu. Přes vzduchové potrubí 12 se akumuluje vzduch do vzduchového akumulátoru 4. Při provozu kompresoru 1 vzniká kompresní teplo, a to se ve

-8CZ 307966 B6 vodních chladičích 2, 3 odvádí do chladicí vody. Chladicí vodu nasává oběhové čerpadlo 14 ze spodní části horkovodního akumulátoru 30. Ve vodních chladičích 2, 3 se chladicí voda ohřívá a v ohřátém stavu vodním potrubím 13 se odvádí do horní části horkovodního akumulátoru 30. Po naplnění vzduchového akumulátoru 4 ochlazeným vzduchem se kompresor 1_ odstaví. Horkovodní akumulátor 30 je naplněn horkou vodou a oběhové čerpadlo 14 se odstaví. V části zařízení pro akumulaci je akumulace médií ukončena, většina energie se akumulovala ve formě tlakové energie ve vzduchu uvnitř vzduchového akumulátoru 4 a menší část energie se akumulovala ve formě tepla v horké vodě uvnitř horkovodního akumulátoru 30.

Čtvrtý pracovní režim představuje možnost energetickou centrálu provozovat dočasně i bez akumulace médií, bez výše uvedených variant způsobů výroby elektřiny, například v mezičase. Během takového dočasného provozu zařízení bez akumulace vzduchu ve vzduchovém akumulátoru 4 a bez akumulace horké vody v horkovodním akumulátoru 30 bude v provozu pouze horkovodní zařízení 6 a nebude vyráběna elektřina. Připojovací armatura 23 i vstupní armatura 31 a první regulační klapka 28 budou uzavřené a plynová turbína 5 bude odstavena z provozu. Druhá regulační klapka 29 bude otevřená. V tom případě bude energetická centrála pracovat pouze jako výtopna pro dodávku tepla odběrateli. Vzduchový akumulátor 4 může být prázdný, nebo naplněný tlakovým vzduchem. Horkovodní akumulátor 30 bude odstaven. V tom případě dodávka tepla probíhá následovně. Do spalovací části 15 kotle 10 se přivádí palivo, fosilní nebo alternativní, a jeho spálením vzniklé spaliny se vedou přes primární teplosměnné plochy 17, 18. Při uzavřené první regulační klapce 28 a otevřené druhé regulační klapce 29 pak odcházejí spaliny do komína 26. Ochlazováním primárních teplosměnných ploch 17, 18 se předává teplo vodě, případně páře, cirkulující přes vstupní a výstupní vodní větev 19, 20 mezi kotlem 10 a výměníkovou stanicí 11. Z výměníkové stanice 11 se provádí dodávka tepla odběrateli odváděním horké vody ze zařízení podle potřeby, a to přes horkovodní odvod 21. Přes sekundární teplosměnnou plochu 22 v této pracovní variantě neproudí žádný vzduch a ani spaliny.

Přechod mezi pracovními režimy se provede uzavřením nebo otevřením obsažených regulačních klapek 28, 29, připojovací armatury 23 a/nebo vstupní armatury 31 a provozem nebo stáním plynové turbíny 5. Dočasně se může rovněž odstavit horkovodní zařízení 6.

Při optimálním provozu energetické centrály dochází ke střídavému provozování prvního a druhého pracovního režimu a dočasně i provozování třetího pracovního režimu, podle toho, kolik je v distribuční síti právě elektřiny a jak je naplněn vzduchový akumulátor 4. V době energetické špičky se vyrábí a do distribuční sítě dodává elektřina. V době přebytku elektřiny v distribuční síti se provozuje primární kompresor 1 a akumulují se média do zásoby pro dobu energetické špičky. Tím je dosaženo maximálního výkonu energetické centrály a nejlepších ekonomických výsledků. Provoz podle čtvrtého pracovního režimu umožňuje zajistit celoroční provoz energetické centrály i v době, kdy se nepožaduje akumulace médií, ani dodávka elektřiny vyrobené pomocí akumulovaných médií do sítě. Využije se i v případě nutnosti oprav nebo údržby na ostatních zařízeních.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (5)

1. Zařízení pro výrobu elektřiny s využitím akumulace médií, zahrnující alespoň jeden kompresor (1), vzduchový akumulátor (4), plynovou turbínu (5) s pracovní částí (7) a elektrickým generátorem (8), horkovodní zařízení (6), nutné propojovací vzduchové potrubí (12), vodní potrubí (13) a nutné uzavírací a regulační prvky, kde kompresor (1) je vybaven alespoň jedním vodním chladičem (2, 3) zapojeným na jeho vzduchovém potrubí (12) a kde vzduchový akumulátor (4) je připojen na vzduchovém potrubí (12) za kompresorem (1), přičemž horkovodní zařízení (6) obsahuje kotel (10) a výměníkovou stanici (11), a kde uvnitř kotle (10) se nachází

-9CZ 307966 B6 primární teplosměnné plochy (17, 18), uspořádané z vodních trubic a připojené pomocí vstupní a výstupní vodní větve (19, 20) k výměníkové stanici (11), výměníková stanice (11) je opatřena horkovodním odvodem (21) pro výstupní médium nesoucí v sobě vyrobené teplo, v horkovodním zařízení (6) se kromě primárních teplosměnných ploch (17, 18) nachází také alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) pro předehřev vzduchu, uspořádaná ze vzduchových trubic, která je zapojena na vzduchovém potrubí (12) za vzduchovým akumulátorem (4) a má výstup připojen na vstup do pracovní části (7) expanzní plynové turbíny (5) s odvodem plynů v podobě výfuku (25) pro expandovaný vzduch, vyvedeného vně zařízení, přičemž obsažené vodní chladiče (2, 3) kompresoru (1) jsou zapojeny na vodním potrubí (13), které je přivedeno od vodního zdroje a má konec zaústěný do výměníkové stanice (11), vyznačující se tím, že plynová turbína (5) je opatřena rekuperátorem (9) zapojeným jednak na výfukovém potrubí (24) za její pracovní částí (7) a jednak na vzduchovém potrubí probíhajícím (12) mezi vzduchovým akumulátorem (4) a sekundárními teplosměnnými plochami (22), přičemž všechny obsažené sekundární teplosměnné plochy (22) jsou umístěny v prostoru pro spaliny kotle (10) horkovodního zařízení (6).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) se nachází přímo uvnitř kotle (10), v jeho spalinové části (16).

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) je uvnitř kotle (10) uložena paralelně vůči alespoň jedné primární teplosměnné ploše (17) a prostor mezi nimi je rozdělen přepážkou (27), přičemž takto vytvořené spalinové kanály, vůči sobě prostřednictvím přepážky (27) navzájem oddělené, jsou každý opatřen alespoň jednou regulační klapkou (28, 29).

4. Zařízení podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) se nachází vně kotle (10), ve vzduchovém ohříváku (33), jehož vnitřní prostor (32) je připojen ke spalinové části (16) kotle (10), a to prostřednictvím spalinového přívodu (34) do vzduchového ohříváku (33) a spalinového odvodu (35) ze vzduchového ohříváku (33), přičemž spalinový odvod (35) ze vzduchového ohříváku (33) je opatřen první regulační klapkou (28) a spalinová část (16) kotle (10) je opatřena druhou regulační klapkou (29), kde tato druhá regulační klapka (29) se nachází pod ústím spalinového odvodu (35), nad první primární teplosměnnou plochou (17).

5. Zařízení podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že zahrnuje horkovodní akumulátor (30), který je zapojen na vodním potrubí (13) mezi alespoň jedním vodním chladičem (2, 3) kompresoru (1) a výměníkovou stanicí (11).