CZ31659U1 - Zařízení pro výrobu elektřiny s využitím akumulace médií - Google Patents

Description

Technické řešení se týká zařízení pro výrobu elektřiny kogenerační jednotkou s využitím akumulace médií.

Dosavadní stav techniky

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. Současná zařízení pro výrobu elektřiny se proto konstruují pro možnost přebytečnou energii v době jejího přebytku akumulovat a využít ji pak účelně pro období energetické špičky.

Mezi tato zařízení patří i zařízení pro akumulaci energie a výrobu elektřiny v systému mechanické akumulace, popsané v US pat. No. 3,151,250. Zařízení 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 odfukování ochlazených spalin do ovzduší. Je rovněž obsaženo nutné propojovací vzduchové potrubí, spalinové potrubí a vodní potrubí. Také jsou obsaženy obvyklé uzavírací a regulační armatury. Při provozu tohoto zařízení 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 výfůku, 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.

Patentová přihláška CZ PV 2017-185 popisuje zařízení pro výrobu elektřiny, které zahrnuje vzduchový kompresor, vybavený alespoň jedním vodním chladičem připojeným na vodním potrubí, kde za vzduchovým kompresorem je připojeno vzduchové potrubí. V případě, že zařízení zahrnuje vícestupňový kompresor, je mezi jednotlivými kompresorovými stupni na plynovém potrubí zařazen rovněž alespoň jeden vodní chladič. Alespoň jeden z obsažených vodních chladičů pro chlazení komprimovaného plynu má na svůj vodní výstup připojen primární expandér s parním výstupem do parního potrubí, na které je připojena parní turbína s elektrickým generátorem a parním kondenzátorem. Před primárním expandérem je zapojen alespoň jeden akumulátor horké vody. Vzduchový kompresor při svém provozu vyrábí tlakový vzduch, jenž se

- 1 CZ 31659 Ul během výroby ochlazuje vodou pomocí alespoň jednoho vodního chladiče, a takto vyrobený tlakový vzduch se v ochlazeném stavu odvádí. Voda, která ochlazuje tlakový vzduch, se teplem předaným od tlakového vzduchu ve vodním chladiči ohřívá a v ohřátém stavu se odtud odvádí do horkovodního akumulátoru, ve kterém se shromažďuje. Teplo v horké vodě, které nelze využít pro výrobu elektřiny na parní turbíně a akumuluje se v horkovodním akumulátoru, lze odtud čerpat v jinou dobu, v případě potřeby zvýšené výroby elektřiny. Dodávka elektřiny vyrobené parní turbínou tak není závislá na okamžitém výkonu kompresoru.

Systémy využívající princip výše popsaných zařízení v současné době existují pod názvy AACAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage), G CAES (General Compression Advanced Energy Storege), ICARES (Integrated Compressed Air Renewable Energy System) nebo ADELE (Adiabater Drukluftspeicher fůr die Elektrizitátsversorgung).

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 výluku do ovzduší. Mezi současnými systémy existují i plynové turbíny, které zahrnují spalovací komoru se spalinovým odvodem a jsou vybaveny elektrickým generátorem a vlastím kompresorem, přičemž na spalinový odvod z plynové turbíny je 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 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 výluku, z něhož se odfukují 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. 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. Voda, která se shromáždila do horkovodního akumulátoru, se odvádí v době zvýšené potřeby tepla do horkovodního potrubí.

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 se vzduch pro provoz plynové

-2CZ 31659 U1 turbíny předehrivá nej častěji 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 MW 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.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody podstatně omezuje níže uvedené navržené řešení.

Je navrženo zařízení pro výrobu elektřiny s využitím akumulace médií, které zahrnuje alespoň jeden primární kompresor, vybavený alespoň jedním vodním chladičem připojeným na vodním potrubí, dále zahrnuje za primárním kompresorem na vzduchovém potrubí připojený vzduchový akumulátor a za ním plynovou turbínu. Tato plynová turbína zahrnuje spalovací komoru se spalinovým odvodem a je vybavena jednak elektrickým generátorem a jednak vlastním, sekundárním kompresorem. Na spalinový odvod z plynové turbíny je připojeno spalinové potrubí, na kterém je připojeno horkovodní zařízení pro ohřev vody. Zařízení je opatřeno nutným propojovacím vzduchovým potrubím, spalinovým potrubím, vodním potrubím a nutnými uzavíracími a regulačními armaturami. Horkovodní zařízení zahrnuje jednak horkovodní kotel, ve kterém se nachází primární teplosměnné plochy uspořádané z vodních trubic, a jednak výměníkovou stanici, vybavenou horkovodním odvodem pro teplou vodu. Primární teplosměnné plochy horkovodního kotle jsou připojeny k výměníkové stanici, což je provedeno pomocí vstupní a výstupní vodní větve. Podstatou nového řešení je, že se v prostoru průchodu spalin za plynovou turbínou, ale ještě před vstupem do výměníkové stanice, nachází alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha, uspořádaná ze vzduchových trubic, které jsou připojeny prostřednictvím vstupní a výstupní vzduchové větve v uvedeném pořadí ke vzduchovému potrubí, přičemž vstupní vzduchová větev je opatřena regulační armaturou. Uvedené přípoje ke vzduchovému potrubí se nachází v úseku vzduchového potrubí mezi výstupem ze vzduchového akumulátoru a vstupem do plynové turbíny. Jako vstupní vzduchová větev se zde 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.

Sekundární teplosměnné plochy mohou být umístěny ve vzduchovém ohříváku, zařazeném na spalinovém potrubí před horkovodním kotlem.

Alternativně, nebo případně přídavně, mohou být sekundární teplosměnné plochy umístěny v horkovodním kotli.

V případě, že sekundární teplosměnné plochy jsou umístěny v horkovodním kotli, mohou zde být s výhodou uloženy v sérii vůči primárním teplosměnným plochám. Tím se zde rozumí, že, uvažováno ve směru průchodu spalin, jsou situovány před a/nebo za primárními teplosměnnými

-3 CZ 31659 U1 plochami horkovodního kotle.

Alternativně vůči předchozímu odstavci v případě, že sekundární teplosměnné plochy jsou umístěny v horkovodním kotli, mohou zde být s výhodou uloženy paralelně vůči primárním teplosměnným plochám. Tím se zde rozumí, že, uvažováno ve směru průchodu spalin, jsou situovány vedle primárních teplosměnných ploch horkovodního kotle.

Navržené zařízení může mít s výhodou připojen horkovodní akumulátor na výměníkovou stanici.

V tom případě zahrnuje horkovodní akumulátor, jenž je zapojen na vodním potrubí za alespoň jedním vodním chladičem primárního kompresoru tak, že vodní potrubí vyústěné z tohoto horkovodního akumulátoru má svůj konec připojen na vstup do výměníkové stanice horkovodního zařízení. Mezi horkovodním akumulátorem a výměníkovou stanicí může být případně na vodním potrubí zapojen ještě nějaký další prvek.

Sekundární kompresor plynové turbíny je s výhodou opatřen uzavíratelným výfukem pro vypouštění vzduchu do ovzduší.

V případě, že je sekundární kompresor vybaven uzavíratelným výfukem, je s výhodou na výstupu opatřen alespoň dvěma uzávěry. Z toho alespoň jeden, první uzávěr, se nachází na vzduchovém potrubí, které vede ze sekundárního kompresoru před spalovací komoru, a alespoň jeden, druhý uzávěr, je na uzavíratelném výfuku. Vzduchové potrubí je v oblasti vstupu do plynové turbíny opatřeno připojovací armaturou. Při poloze připojovací armatury „otevřená“ je první uzávěr v poloze „uzavřen“ a druhý uzávěr „otevřen“ a při poloze připojovací armatury „uzavřená“ je první uzávěr v poloze „otevřen“ a druhý uzávěr „uzavřen“.

Navržené zařízení nevyžaduje přitápění zemním plynem a také odpadá nutnost využívat speciální jednotky pro dosažení vysoké teploty před plynovou turbínou, jako jsou např. vysokoteplotní a vysokotlaké kompresory či vysokoteplotní rekuperátory. Může být realizováno kdekoliv, nezávisle na lokalitách nepropustných prostor a oblastech mořského pobřeží s dostupnou vysokou hloubkou. Umožňuje využití i zejména pro akumulační jednotky menších výkonů, například 10 až 20 MW. Navržené zařízení má značnou výhodu v provozní flexibilitě, jsou možné různé provozní režimy. Jsou možné v podstatě čtyři pracovní varianty provozu zařízení. Zařízení se nemusí využívat jen omezeně pro akumulaci médií a pro výrobu elektřiny využívající akumulovaných médií, ale lze je využít i jako klasickou kogenerační jednotku s celoročním provozem. Další výhodou je možnost rozložit pořizovací náklady. Nejdříve lze uvést do provozu část zařízení s plynovou turbínou a horkovodním zařízením pro dodávku tepla a provozovat kogenerační jednotku pro dodávku elektřiny a tepla, a dodatečně pak přistavět i zbývající část zařízení pro využívání akumulace médií a začít vyrábět elektřinu. Další výhodou je i možnost vybudovat navržené zařízení z již provozované kogenerační jednotky s plynovou turbínou, pokud lze u ní provést potřebné úpravy, a přejít z klasického provozu kogenerační jednotky na výrobu elektřiny s využitím akumulace médií.

Objasnění výkresů

Navržené řešení je objasněno pomocí výkresů, kde znázorňují Obr. 1 celkové schéma navrženého zařízení v příkladném provedení se sekundárními teplosměnnými plochami ve vzduchovém ohříváku, zařazeném na spalinovém potrubí před horkovodním kotlem, Obr. 2 detail varianty plynové turbíny a horkovodního zařízení v případě, že sekundární teplosměnné plochy jsou v horkovodním kotli uloženy v sérii vůči primárním teplosměnným plochám, Obr. 3 detail varianty plynové turbíny a horkovodního zařízení v případě, že sekundární teplosměnné plochy jsou v horkovodním kotli uloženy paralelně vůči primárním teplosměnným plochám a Obr. 4 detail zapojení prvků plynové turbíny v případě, že sekundární kompresor plynové turbíny je opatřen uzavíratelným výfukem.

-4CZ 31659 U1

Příklady uskutečnění technického řešení

Názorným příkladem provedení navrženého zařízení je energetická centrála pro výrobu elektřiny s využitím akumulace médií podle obrázků Obr. 1 až Obr. 4.

Hlavními prvky tohoto příkladného zařízení jsou plynová turbína 1, horkovodní zařízení 2 pro ohřev vody, primární kompresor 3, dva vodní chladiče 4, vzduchový akumulátor 5 a horkovodní akumulátor 6.

Primární kompresor 3 je dvoutělesový a je vybaven elektromotorem 7, připojeným elektricky na distribuční síť elektrického proudu. Dále je primární kompresor 3 vybaven dvěma vodními chladiči 4, z čehož je jeden připojen na vzduchovém potrubí 8 primárního kompresoru 3 a jeden na vzduchovém potrubí 8 za výstupem z primárního kompresoru 3. Oba tyto vodní chladiče 4 jsou současně zapojeny na vodním potrubí 9 s oběhovým čerpadlem 10. Za primárním kompresorem 3 jsou pak dále na vzduchovém potrubí 8 připojeny nejprve vzduchový akumulátor 5 a následně za ním plynová turbína 1. Vzduchový akumulátor 5 může být například v podobě kulového plynojemu.

Plynová turbína 1 zahrnuje expanzní část 11, elektrický generátor 12, spalovací komoru 13 se spalinovým odvodem do spalinového potrubí 14 a vlastní, sekundární kompresor 15. Na spalinovém potrubí 14 je za plynovou turbínou 1 připojeno horkovodní zařízení 2 pro ohřev vody.

Horkovodní zařízení 2 zahrnuje horkovodní kotel 16 a výměníkovou stanici 17. Uvnitř horkovodního kotle 16 se nachází primární teplosměnné plochy 18, uspořádané z vodních trubic a připojené k výměníkové stanici 17 pomocí vstupní a výstupní vodní větve 19, 20. Z výměníkové stanice 17 je vyústěn horkovodní odvod 21 pro teplou vodu k jejímu dalšímu využití.

Mezi plynovou turbínou 1 a výměníkovou stanicí 17 se v prostoru pro průchod spalin nachází alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha 22, uspořádaná ze vzduchových trubic, které jsou připojeny prostřednictvím vstupní a výstupní vzduchové větve 23, 24 v uvedeném pořadí ke vzduchovému potrubí 8. Toto připojení je realizováno v úseku vzduchového potrubí 8 mezi vzduchovým akumulátorem 5 a plynovou turbínou 1, přičemž jako vstupní vzduchová větev 23 se zde rozumí potrubní větev připojená na vstup do sekundární teplosměnné plochy 22 a jako výstupní vzduchová větev 24 se zde rozumí potrubní větev připojená na výstup ze sekundární teplosměnné plochy 22. Sekundární teplosměnné plochy 22 mají tri následující alternativy uložení.

Jak je znázorněno na obrázku Obr. 1, na spalinovém potrubí 14 před horkovodním kotlem 16 může být zařazen vzduchový ohřívák 25 a jedna nebo více sekundárních teplosměnných ploch 22 mohou být umístěny v tomto vzduchovém ohříváku 25. Alternativně, nebo přídavně, mohou být jedna nebo více sekundárních teplosměnných ploch 22 umístěny v horkovodním kotli 16. Tyto alternativy ukazují obrázky Obr. 2 a Obr. 3.

Jak ukazuje Obr. 2, sekundární teplosměnné plochy 22 mohou být v horkovodním kotli 16 uloženy v sérii vůči primárním teplosměnným plochám 18, to je uvažováno ve směru průchodu spalin před a/nebo za primárními teplosměnnými plochami 18. Výhodou tohoto provedení vůči provedení podle Obr. 1 je umístění sekundární teplosměnné plochy 22 i primární teplosměnné plochy 18 v jednom tělese horkovodního zařízení 2 a také možnost optimalizace velikosti plochy sekundární teplosměnné plochy 22 i primární teplosměnné plochy 18.

Obr. 3 pak ukazuje, že sekundární teplosměnné plochy 22 mohou být v horkovodním kotli 16 uloženy paralelně vůči primárním teplosměnným plochám 18, to je uvažováno ve směru průchodu spalin vedle primárních teplosměnných ploch 18. Při provedení podle Obr. 3 spaliny

-5 CZ 31659 U1 proudí nejdříve přes paralelně uspořádané sekundární teplosměnné plochy 22 spolu s alespoň nějakou částí primární teplosměnné plochy 18, a dále pak přes zbývající části primární teplosměnné plochy 18. Výhodou tohoto provedení vůči provedení podle Obr. 1 nebo Obr. 2 je, že lze dosáhnout vyšší teplotu vody na výstupu horkovodního zařízení 2.

Obr. 1 dále ukazuje, že horkovodní akumulátor 6 je zapojen na vodním potrubí 9 za vodními chladiči 4 primárního kompresoru 3. Horkovodní akumulátor 6 je zapojen přímo na výměníkovou stanici 17, nebo je mezi ním a výměníkovou stanicí 17 zařazen ještě nějaký další vhodný prvek nebo prvky. V obou případech, vodní potrubí 9, vyústěné z tohoto horkovodního akumulátoru 6, má svůj konec připojen na vstup do výměníkové stanice 17 horkovodního zařízení 2. Horkovodní akumulátor 6 může mít alternativní vstup na běžný vodní zdroj neznázoměný na obrázcích, jako například vodní nádrž.

Ve všech případech provedení musí být vstupní vzduchová větev 23 opatřena regulační armaturou 26 pro uzavření nebo otevření průchodu vzduchu a regulaci množství vzduchu, odváděného ze vzduchového potrubí 8 k ohřevu do obsažených sekundárních teplosměnných ploch 22.

Další výhodná alternativa zařízení je znázorněna na Obr. 4. Tento obrázek ukazuje detail zapojení, při němž je sekundární kompresor 15 plynové turbíny i s výhodou opatřen uzavíratelným výfukem 27 pro vypouštění vzduchu do ovzduší. V tomto případě je sekundární kompresor 15 na výstupu opatřen alespoň dvěma uzávěry 28, 29, z toho alespoň jedním, prvním uzávěrem 28, na vzduchovém potrubí 8, které z něj vede před spalovací komoru 13, a alespoň jedním, druhým uzávěrem 29, na uzavíratelném výfuku 27. Vzduchové potrubí 8 je opatřeno v oblasti vstupu do spalovací komory 13 plynové turbíny 1 připojovací armaturou 30. Při poloze připojovací armatury 30 „otevřená“ je první uzávěr 28 v poloze „uzavřen“ a druhý uzávěr 29 „otevřen“ a při poloze připojovací armatury 30 „uzavřená“ je první uzávěr 28 v poloze „otevřen“ a druhý uzávěr 29 „uzavřen“.

Zařízení je rovněž vybaveno nutnými uzavíracími, regulačními a jinými prvky, jako jsou na obrázcích neznázoměná čidla, řídicí jednotka apod. Mezi nutné uzavírací prvky patří rovněž připojovací armatura 30 na vzduchovém potrubí 8 v oblasti vstupu do plynové turbíny 1 a vstupní armatura 31 na vodním potrubí 9 v oblasti vstupu pro vodu do horkovodního zařízení 2. Spalovací komora je opatřena palivovým přívodem 32 pro zemní plyn. Plynová turbína 1 je se sekundárním kompresorem 15 spojena mechanicky spojkou 33.

Směr pohybu médií je na obrázcích Obr. 1 až Obr. 4 naznačen šipkami.

Tuto energetickou centrálu lze variabilně provozovat ve čtyřech pracovních variantách.

První pracovní varianta je následující. Jedná se o klasický způsob výroby elektřiny. Při takovém provozu se elektřina bude vyrábět klasickým způsobem bez akumulace médií, tedy vzduchu a ohřáté vody, a také bez výroby elektřiny prostřednictvím akumulovaných médií. V provozu pak bude pouze plynová turbína 1, horkovodní zařízení 2 a sekundární kompresor 15 a energetická centrála bude pracovat jako klasická kogenerační jednotka. Připojovací armatura 30 a vstupní armatura 31 budou uzavřeny. Vzduchový akumulátor 5 může být prázdný, nebo naplněný tlakovým vzduchem. Horkovodní akumulátor 6 bude odstaven. V tom případě výroba elektřiny probíhá následovně. Do spalovací komory 13 se palivovým přívodem 32 přivádí zemní plyn a jeho spálením vzniklé spaliny pohání expanzní část 11 plynové turbíny T Ta pohání jednak připojený elektrický generátor 12 a jednak sekundární kompresor 15 dodávající vzduch do spalovací komory 13. Spalováním zemního plynu získaná mechanická energie na expanzní části 11 plynové turbíny X se z větší části, například 55%, spotřebuje pro pohon sekundárního kompresoru 15 a zbývající část mechanické energie, například 45%, se využije k výrobě elektřiny na elektrickém generátoru 12. Spaliny z výstupu expanzní části 11 plynové turbíny 1 se spalinovým potrubím 14 vedou do horkovodního zařízení 2, v němž přes sekundární

-6CZ 31659 U1 teplosměnnou plochu 22 proudí do horkovodního kotle 16. Při popisovaném provozu je připojovací armatura 30 uzavřená. Přes sekundární teplosměnnou plochu 22 neproudí žádný vzduch. Sekundární teplosměnná plocha 22 není chlazená, a musí být proto provedena z oceli, použitelné pro teplotu spalin vystupujících z expanzní části 11 plynové turbíny 1, například 550 °C. Horká voda, vyrobená v horkovodním zařízení 2, zajišťuje ve výměníkové stanici 17 požadované odvádění tepla přes horkovodní odvod 21.

Druhá pracovní varianta je následující. Představuje provozování energetické centrály jen pro akumulaci médií, prováděnou pouze v časovém úseku přebytečné elektřiny v distribuční síti. Plynová turbína 1 a horkovodní zařízení 2 jsou odstaveny, je uzavřen palivový přívod 32 zemního plynu i vstupní armatura 31 a připojovací armatura 30. Zařízení odebírá z distribuční sítě v období přebytku elektřinu, kterou využívá k akumulaci médií. Odebíranou elektřinou se pohání primární kompresor 3, který přes vzduchové potrubí 8 dodává vzduch do vzduchového akumulátoru 5. Při provozu primárního kompresoru 3 vznikající kompresní teplo se ve vodních chladičích 4 odvádí do chladicí vody. Tuto chladicí vodu nasává oběhové čerpadlo 10 ze spodní části horkovodního akumulátoru 6 do vodních chladičů 4 a vodním potrubím 9 pak horkou vodu, po ohřátí teplem předaným od vzduchu ve vodních chladičích 4, vrací zpět do horní části horkovodního akumulátoru 6. Po naplnění vzduchového akumulátoru 5 ochlazeným vzduchem se primární kompresor 3 odstaví. Horkovodní akumulátor 6 je naplněn horkou vodou a oběhové čerpadlo 10 se odstaví. V části zařízení pro akumulaci je akumulace médií ukončena, většina energie se akumulovala ve formě tlakové energie ve vzduchu uvnitř vzduchového akumulátoru 5 a menší část energie se akumulovala ve formě tepla v horké vodě uvnitř horkovodního akumulátoru 6.

Třetí pracovní varianta je následující. Představuje provozování energetické centrály v době přebytku elektřiny v distribuční síti. Jedná se o současný provoz plynové turbíny 1, horkovodního zařízení 2 a primárního kompresoru 3, s odběrem elektřiny z distribuční sítě. Odběr vzduchu ze vzduchového akumulátoru 5 je odstaven, připojovací armatura 30 je uzavřená. Je rovněž odstaven odběr horké vody z horkovodního akumulátoru 6, vstupní armatura 31 je uzavřená. Při této pracovní variantě se současně provádí akumulace médií v horkovodním akumulátoru 6 a vzduchovém akumulátoru 5 a provozuje se plynová turbína 1 i horkovodní zařízení 2, což umožňuje přes horkovodní odvod 21 dodávat projektovaný tepelný výkon a z elektrického generátoru 12 dodávat projektovaný elektrický výkon.

Čtvrtá pracovní varianta je následující. Představuje provozování energetické centrály pro výrobu elektřiny s využitím akumulovaných médií. Primární kompresor 3 je vypnutý a zařízení neodebírá z distribuční sítě žádný proud. V provozuje plynová turbína 1 i horkovodní zařízení 2 a jsou využívána média nahromaděná ve vzduchovém akumulátoru 5 i horkovodním akumulátoru

6. Připojovací armatura 30 i vstupní armatura 31 jsou otevřeny. Při otevřené připojovací armatuře 30 se odebírá ze vzduchového akumulátoru 5 vzduchovým potrubím 8 vzduch pro spalování zemního plynu v plynové turbíně 1, přičemž sekundární kompresor 15 je rozpojením spojky 33 odstavený a první uzávěr 28 je uzavřený. Parametry vzduchu odebíraného ze vzduchového akumulátoru 5, to znamená tlak, teplota a množství, musí být na vstupu do spalovací komory 13 stejné, jako při odběru vzduchu ze sekundárního kompresoru 15 v první pracovní variantě. Za těchto podmínek bude množství spalovaného zemního plynu, mechanický výkon expanzní části 11 plynové turbíny 1 a také množství i parametry spalin ve spalinovém potrubí 14 stejné, jako při provozu plynové turbíny 1 v první pracovní variantě. Protože v tomto případě je sekundární kompresor 15 odpojen od expanzní části 11 plynové turbíny 1, využije se její celý mechanický výkon pro výrobu elektřiny. Ve srovnání s první pracovní variantou, při níž se v příkladném provedení využilo například 45 % mechanického výkonu expanzní části 11 plynové turbíny 1, se v tomto čtvrtém provozním režimu k výrobě elektřiny využije celých 100% mechanického výkonu expanzní části 11 plynové turbíny T Výroba elektřiny se tedy více než zdvojnásobí. Při odběru vzduchu ze vzduchového akumulátoru 5 se požadované množství vzduchu a jeho tlak na vstupu do spalovací komory 13 může zajistit pomocí vhodného seřízení velikosti otevření připojovací armatury 30 a regulační armatury 26. Vzduch přiváděný do plynové turbíny 1 se

-7 CZ 31659 U1 rozděluje ve dva vzduchové proudy, z nichž jeden se ohřívá a pak se přimísí ke druhému. Požadovaná teplota vzduchu se zajistí ohřevem prvního proudu vzduchu, proudícího přes sekundární teplosměnnou plochu 22, spalinami přiváděnými z plynové turbíny ý. Ohřev vzduchu se zajišťuje tím, že se v potřebném množství odebírá pomocí regulační armatury 26 jeden vzduchový proud ze vzduchového potrubí 8, v úseku vzduchového potrubí 8 mezi výstupem ze vzduchového akumulátoru 5 a vstupem do plynové turbíny 1, zatímco zbylý vzduchový proud proudí vzduchovým potrubím 8 dále směrem k plynové turbíně 1. Toto potřebné množství vzduchu, první vzduchový proud, se přivádí vstupní vzduchovou větví 23 do sekundární teplosměnné plochy 22. Zde se vzduch ohřeje teplem od horkých spalin přiváděných spalinovým potrubím 14 z plynové turbíny 1 a ohřátý vzduch se pak výstupní vzduchovou větví 24 přivede zpět ke druhému vzduchovému proudu do vzduchového potrubí 8, do jeho následujícího úseku ještě vstupem do plynové turbíny T Množství vzduchu, odebíraného regulační armaturou 26, se nastaví tak, aby teplota vzduchu mezi zaústěním výstupní vzduchové větve 24 do vzduchového potrubí 8 a vstupem do spalovací komory 13 plynové turbíny ý dosáhla hodnoty předepsané pro vstup do plynové turbíny T Ohřevem vzduchu v sekundární teplosměnné ploše 22 se spaliny ve spalinovém potrubí 14 ochladí. V případě, že je uzavřena vstupní armatura 31, tak v horkovodním zařízení 2 je v oblasti primární teplosměnné plochy 18 teplota spalin nižší než při provozu v první pracovní variantě. Tím se sníží i tepelný výkon, dodávaný v horkovodním zařízení 2 do výměníkové stanice 17. Aby se tímto nesnížila i velikost odváděného tepla horkovodním odvodem 21 z výměníkové stanice 17, chybějící teplo se do výměníkové stanice 17 dodá z horkovodního akumulátoru 6 ve formě horké vody. To se zajistí tak, že vstupní armaturou 31 se nastaví takový průtok vody ve vodním potrubí 9 do horkovodního zařízení 2, aby množství odváděného tepla z výměníkové stanice 17 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 5 na hodnotu tlaku vzduchu ve spalovací komoře 13 při první pracovní variantě.

Přechod mezi pracovními variantami se provede uzavřením nebo otevřením obsažených regulačních a uzavíracích prvků a připojením nebo odpojením sekundárního kompresoru 15 k expanzní části 11 plynové turbíny 1 spojkou 33. V případě regulačních a uzavíracích prvků jde zejména o připojovací armaturu 30, vstupní armaturu 31 a první uzávěr 28. Dočasně se může rovněž odstavit plynová turbína 1 s horkovodním zařízením 2.

Při optimálním provozu energetické centrály dochází ke střídavému provozování třetí a čtvrté pracovní varianty a dočasně i provozování druhé pracovní varianty, podle toho, kolik je v distribuční síti právě elektřiny a jak je naplněn vzduchový akumulátor 5. V době energetické špičky se vyrábí a do distribuční sítě dodává elektřina, v době přebytku elektřiny v distribuční síti se provozuje primární kompresor 3 a akumulují média do zásoby pro dobu energetické špičky. Tím je dosaženo maximálního výkonu energetické centrály a nejlepších ekonomických výsledků. První pracovní režim 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.

V příkladném provedení podle Obr. 4 je při provozu plynové turbíny 1 se vzduchem, přiváděným vzduchovým potrubím 8 ze vzduchového akumulátoru 5, v provozu sekundární kompresor 15 spolu s expanzní částí 11 plynové turbíny 1, ale sekundární kompresor 15 se udržuje v chodu naprázdno. Při tomto chodu naprázdno je uzavřen první uzávěr 28 a otevřen druhý uzávěr 29 a veškerý vzduch ze sekundárního kompresoru 15 se odfůkuje přes výfuk 27 do ovzduší. Do plynové turbíny 1, do její spalovací komory 13, se tak přivádí pouze vzduch ze vzduchového akumulátoru 5. Pro pohon sekundárního kompresoru 15 při jeho chodu naprázdno se spotřebuje určitá část mechanické energie z množství vyrobeného pomocí expanzní části 11 plynové turbíny 1, takže ve srovnání s příkladným provedením podle Obr. 1 se dosáhne menšího množství vyrobené elektřiny. Tento rozdíl je však velmi malý, v celkovém množství zanedbatelný. Značnou výhodou tohoto provedení je, že není potřebná spojka 33 nutná u alternativního provedení podle Obr. 1.

Claims (8)

1. Zařízení pro výrobu elektřiny s využitím akumulace médií, zahrnující alespoň jeden primární kompresor (3) vybavený alespoň jedním vodním chladičem (4) připojeným na vodním potrubí (9), kde za primárním kompresorem (3) je na vzduchovém potrubí (8) připojen vzduchový akumulátor (5) a za ním plynová turbína (1), kde plynová turbína (1) zahrnuje spalovací komoru (13) se spalinovým odvodem a je vybavena elektrickým generátorem (12) a vlastním, sekundárním kompresorem (15), přičemž na spalinový odvod je připojeno spalinové potrubí (14), na kterém je připojeno horkovodní zařízení (2) pro ohřev vody, a přičemž zařízení je opatřeno nutným propojovacím vzduchovým potrubím (8), spalinovým potrubím (14), vodním potrubím (9) a nutnými uzavíracími a regulačními prvky, a kde horkovodní zařízení (2) zahrnuje jednak horkovodní kotel (16), ve kterém se nachází primární teplosměnné plochy (18) uspořádané z vodních trubic, a jednak výměníkovou stanici (17) s horkovodním odvodem (21) pro teplou vodu, přičemž primární teplosměnné plochy (18) horkovodního kotle (16) jsou připojeny k výměníkové stanici (17) pomocí vstupní a výstupní vodní větve (19, 20), vyznačující se tím, že za plynovou turbínou (1) a ještě před výměníkovou stanicí (17) se v prostoru pro průchod spalin nachází alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) uspořádaná ze vzduchových trubic, které jsou připojeny prostřednictvím vstupní a výstupní vzduchové větve (23, 24) v uvedeném pořadí ke vzduchovému potrubí (8) v úseku mezi vzduchovým akumulátorem (5) a plynovou turbínou (1), přičemž vstupní vzduchová větev (23) je opatřena regulační armaturou (26), kde jako vstupní vzduchová větev (23) se rozumí potrubní větev připojená na vstup do sekundární teplosměnné plochy (22) a jako výstupní vzduchová větev (24) se rozumí potrubní větev připojená na výstup ze sekundární teplosměnné plochy (22).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) se nachází ve vzduchovém ohříváku (25), zařazeném na spalinovém potrubí (14) před horkovodním kotlem (16).

3. Zařízení podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) se nachází v horkovodním kotli (16).

4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) je v horkovodním kotli (16) uložena v sérii vůči primárním teplosměnným plochám (18), to je uvažováno ve směru průchodu spalin před a/nebo za primárními teplosměnnými plochami (18) horkovodního kotle (16).

5. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) je v horkovodním kotli (16) uložena paralelně vůči primárním teplosměnným plochám (18), to je uvažováno ve směru průchodu spalin vedle primárních teplosměnných ploch (18) horkovodního kotle (16).

6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje horkovodní akumulátor (6), jenž je zapojen na vodním potrubí (9) za alespoň jedním vodním chladičem (4) primárního kompresoru (3) tak, že vodní potrubí (9) vyústěné z tohoto horkovodního akumulátoru (6) má svůj konec připojen na vstup do výměníkové stanice (17) horkovodního zařízení (2).

7. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že sekundární kompresor (15) plynové turbíny (1) je opatřen uzavíratelným výfukem (27) pro vypouštění vzduchu do ovzduší.

8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že sekundární kompresor (15) je na výstupu opatřen alespoň dvěma uzávěry (28, 29), z toho alespoň jedním, prvním uzávěrem (28), na vzduchovém potrubí (8), které z něj vede před spalovací komoru (13), a alespoň jedním, druhým

-9CZ 31659 U1 uzávěrem (29), na uzavíratelném výfuku (27), přičemž vzduchové potrubí (8) v oblasti vstupu do plynové turbíny (1) je opatřeno připojovací armaturou (30).