CZ31887U1 - Zařízení pro výrobu elektřiny a tepla s akumulací médií - Google Patents

Description

Navržené řešení 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.

Příkladem známého zařízení pro akumulaci energie a výrobu elektřiny je zařízení podle US pat. no. 3151250. 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 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 (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 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

- 1 CZ 31887 U1 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 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.

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 turbíny předehřívá 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.

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 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.

Další zařízení pro výrobu elektřiny a tepla, využívající akumulaci médií u menších kogeneračních jednotek s plynovou turbínou, je popsáno v přihlášce vynálezu CZ PV 2018-26 a užitném vzoru CZ U 31659. Zařízení zahrnuje primární kompresor, vybavený alespoň jedním vodním chladičem připojeným na vodním potrubí. Za primárním kompresorem je na vzduchovém potrubí připojen vzduchový akumulátor a za ním plynová turbína. Tato plynová turbína zahrnuje spalovací komoru se spalinovým odvodem a je vybavena elektrickým

-2CZ 31887 U1 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 PV 2018-26 a CZ U 31659 je, že jeho 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 typuje využitelné pouze pro energetické zdroje nižších výkonů, které zajišťují výrobu elektřiny a tepla. Další nevýhodou je, že uvedené zařízení nelze použít pro výtopny, tedy pro zařízení pouze k dodávce tepla, a nikoliv k dodávce elektřiny.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody podstatně omezuje dále popsané navržené zařízení pro výrobu elektřiny s využitím akumulace médií. Zařízení 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 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. Podstatou nového řešení je, že sekundární teplosměnné plochy pro předehřev vzduchu mají výstup připojen na vstup do pracovní části expanzní plynové turbíny, tedy turbíny bez spalovací části, přičemž spalovací část pro spalování paliv v zařízení je vytvořena jako součást kotle horkovodního zařízení. Sekundární teplosměnné plochy se nachází v prostoru, do něhož ústí tato spalovací část kotle. Odvod plynů z plynové turbíny je proveden jako výfuk pro expandovaný vzduch, vyvedený vně zařízení.

-3 CZ 31887 Ul

Plynová turbína je s výhodou opatřena rekuperátorem. Ten je zapojen jednak na výfukovém potrubí za pracovní částí plynové turbíny a jednak na vzduchovém potrubí mezi vzduchovým akumulátorem a sekundární teplosměnnou plochou.

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.

Navržené zařízení 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 navrženého zařízení proti dosavadnímu stavu je, že umožňuje provádět výše uvedený střídavý provoz, aniž by bylo nutné používat pouze vysoce kvalitní paliva, jako zemní plyn nebo olej. Při provozování navrženého zařízení 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. Navržené zařízení je využitelné rovněž i pro výtopny určené pouze pro dodávku tepla, a nikoliv pro současnou dodávku elektřiny.

Objasnění výkresů

Navržené řešení je objasněno 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.

Příklady uskutečnění technického řešení

Názorným příkladem provedení navrženého řešení 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

-4CZ 31887 U1 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. Lze 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 vzduchovým 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 navrženého řešení je energetická centrála pro výrobu elektřiny a tepla s akumulací médií podle obrázku Obr. 2.

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.

Celkem je možno energetickou centrálu podle obrázků Obr. 1 nebo Obr. 2 provozovat ve čtyřech pracovních režimech.

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

-5 CZ 31887 Ul 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 23 se odebírá ze vzduchového akumulátoru 4 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 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

-6CZ 31887 Ul 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. Tento 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.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (35)

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 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), 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 sekundární teplosměnná plocha (22) má výstup připojen na vstup do pracovní části (7) expanzní plynové turbíny (5), přičemž spalovací část (15) pro spalování paliv v zařízení se nachází v kotli (10) horkovodního zařízení (6), a přičemž sekundární teplosměnná plocha (22) se nachází v prostoru propojeném s prostorem, do něhož ústí spalovací část (15) kotle (10), a přičemž odvod plynů z plynové turbíny (5) tvoří výfuk (25) pro expandovaný vzduch, vyvedený vně zařízení.

2. Zařízení podle nároku 1, 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 (12) mezi vzduchovým akumulátorem (4) a sekundární teplosměnnou plochou (22).

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

-7 CZ 31887 U1

4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že 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

5 prostřednictvím přepážky (27) navzájem oddělené, jsou každý opatřen alespoň jednou regulační klapkou (28, 29).

5. Zařízení podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že alespoň jedna sekundární teplosměnná plocha (22) se nachází vně kotle (10), ve vzduchovém ohříváku (33), jehož vnitřní ío 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

15 teplosměnnou plochou (17).

6. Zařízení podle některého z nároků 1 až 5, 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).

2 výkresy

CZ 31887 Ul

Seznam vztahových značek:

1 kompresor

2 první vodní chladič

3 druhý vodní chladič

4 vzduchový akumulátor

5 plynová turbína

6 horkovodní zařízení

7 pracovní část

8 elektrický generátor

9 rekuperátor

10 kotel

11 výměníková stanice

12 vzduchové potrubí

13 vodní potrubí

14 oběhové čerpadlo

15 spalovací část

16 spalinováčást

17 první primární teplosměnná plocha

18 druhá primární teplosměnná plocha

19 vstupní vodní větev

20 výstupní vodní větev

21 horkovodní odvod

22 sekundární teplosměnná plocha

23 připojovací armatura

24 výlukové potrubí

25 výfuk

26 komín

27 přepážka

28 první regulační klapka

29 druhá regulační klapka

30 horkovodní akumulátor

31 vstupní armatura.

32 vnitřní prostor

33 vzduchový ohřívák

34 spalinový přívod

35 spalinový odvod.