DE2536447B2 - Anlage zur speicherung von energie eines elektrischen versorgungsnetzes mittels druckluft und zur wiederverwertung derselben - Google Patents

Anlage zur speicherung von energie eines elektrischen versorgungsnetzes mittels druckluft und zur wiederverwertung derselben

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DE2536447B2 DE19752536447 DE2536447A DE2536447B2 DE 2536447 B2 DE2536447 B2 DE 2536447B2 DE 19752536447 DE19752536447 DE 19752536447 DE 2536447 A DE2536447 A DE 2536447A DE 2536447 B2 DE2536447 B2 DE 2536447B2
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Description

führt.
5. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umführungsleitung (35) den dem Mitteldruckkompressor (MD) vorangehendenZwischenkühler (24) durchsetzt.
6. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Austrittsende des Hochdruckkompressors (HD) mittels einer Umführungsileitung (20, 22) über einen Endkühler (45) und ein nachfolgendes Drosselorgan (23) mit seinem Eintrittsende verbunden ist.
55 eine mit der elektrischen Maschine kuppelbare Gastur-SJe rar den Generatorbetneb bei Ausnutzung der · L-t<.n Druckluft aufweist, wobei mindestens der aSSSÄ' eine Rückführung besi*,. die nach einem Zwischenkühler aus der Betriebsleitung abzweigt und über ein Drosselorgan an d.e Kompres-
Sfh
sSrfn1agender genannten Art sind in Ausführung^ ohne Umführungsleitungen durch die FR-OS ^ 25 377 oder GB-PS 10 42 501 bekannt und dienen hauptsächlich zum sofortigen Ausgleich rasch erfolgende? Belastungsänderungen in großen elektrischen Versorgungsnetzen, so lange, bis die Leistung der
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Speicherung von Energie eines elektrischen Versor- ;ungsnc5zes mitteis Druckluft und zu deren Wiedervervcndung bei Belastungsspitzen des Netzes, welche m> \nlagc aus einer Kompressorgruppc mit mindestens '.wei über Zwischenkühler hintereinander geschalteten, niteinander gekuppelten mehrstufigen Turbokonipres-.oren sowie einer elektrischen Maschine besteht, die 3eim Laden eines Druckluitspeichers als Antriebsmotor ''■ Jer Kompressorengruppe und beim Entladen des Druckluftspeichers als Generator zur Speisung des elektrischen Versorgungsnetzes dient, und außerdem sen werucii, »»"·> —
iinyiimutbaren Lärmbelästigung führte.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, be, Speicheranlagen den Lärm vom Abblasen verdichteter illins Freie zu vermeiden und weiterhin d.e dem Versorgungsnetz entnommende Anfahrte.stung sowie die Leerlaufleistung außerhalb der Ladeze.t so klein w.e
m ote Zusammenhang mit den genannten Speicher.«- j eigenen Problemen sind
Sichte anignenf^kSännteVAS .030967), bei denen die Kompressoren der Kompressorengruppe je ine Umführungsleitung besitzen, d.e von ihrer Aus-Ssseite über einen Zwischenkühler und ein Drosselorgan an ihre Eintrittsseite zurückgeführt sind; fur den Niederdruckkompressor ist diese Le.tung dabei mit dem auf sie folgenden Zwischenkühler verbunden wöbe, das Drosse organ diesem nachgeordnet .st. Be. dieser bekann te" Anlage läßt sich der geschilderte Lärm zwar Sen, eine Reduktion der Anfahr- und insbesondere der Leerlaufleistung aber nicht in einem solchen Maße erreichen, daß bei den beschriebenen Speicheranlagen außerhalb der Entladezeit die Kompressoren leer mitlaufen können, ohne daß ms Gewicht fallende Verluste und damit WirkungsgradeinbuBen an den Anlagen entstehen. Durch die Möglichkeit des Mitlaufens der Kompressoren entfällt vor allem das schw.er.ge Problem ihres Ankoppeins während des Betriebes an die übrigen Maschinen der Anlage.
Die auch bei der bekannten Verdichteranlage noch erhebliche Leistungsaufnahme während des Anfahr- und Leerlaufbetriebs wird bei einer Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß mindestens in der Betriebsleitung vor dem auf den Niederdruckkompressor folgenden Zwischenkühler ein weiteres regelbares; Drosselorgan eingebaut ist.
Das Drosselorgan in der Betriebsleitung zwischen Teilkompressoren hat dabei eine zweifache Aufgabe 7um einen wird in ihm während des Anfahren* und während des Leerlaufs die zu diesen Betr.cbsze.ter unerwünschte, in dem vorhergehenden Kompresso. erzielte Kompression der Luft vor dem Eintritt .η der ■lächster Verdichter wieder abgebaut, so daß aucl dieser nachfolgende Kompressor während der genann ion Betriebszustände von einem sehr niedrigen Nivea. aus ansaugt; dieses Niveau ist im Lecrhufbetnel abhängig von dem Strömungswiderstand in de Uniführungsleitung und entspricht - be. vernachlässig baren Werten für diesen Widerstand - dem Ansaugni vcui des Kompressors niedrigsten Druckes. Zur
weiten hat das erfindungsgemäße Drosselorgan die Äiufgabe, während des Leerlaufes eine Verschiebung des Kompressor-Arbeitspunktes beim Kompressor niedrigsten Druckes in das Gebiet, in dem zu große Volumina bzw. Mengen gefördert werden, ohne daß eine s ausreichende Druckerhöhung erreicht wird, zu verKindern.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Drosselorgans wird es somit möglich, die Leistung für das An- und Hochfahren und für einen längeren Leerlaufbetrieb ic ohne Abblasen in die Atmosphäre auf einen äußerst geringen Teil der Kompressorleistung zu vermindern.
In vorteilhafter Weise kann dazu in die Ansaugleitung zum Niederdruckkompressor zusätzlich ein Absperrorgan eingebaut sein. Durch dieses Absperrorgan wird die von der Kompressorengruppe aufgenommene Anfahr- und Leerlaufleistung zusätzlich verringert, denn es kann mindestens den Druck im Kreislauf durch den Niederdruckkompressor unter Atmosphärendruck senken. Eine weitere zusätzliche Senkung der Anfahr- und :o Leerlaufleistung kann unter Vermeidung der Unterschreitung der Pumpgrenze erzielt werden, wenn der Niederdruckkompressor mit einstellbaren Leitschaufel ausgerüstet ist.
Ein weiteres Absenken der letztgenannten Leistung in der Anlage läßt sich erreichen, wenn nach einem Mitteldruckkompressor vor dem nachfolgenden Zwischenkühler in der Betriebsleitung ebenfalls ein Drosselorgan vorgesehen ist, nach dem eine Umführungsleitung abzweigt und zum Eintrittsende des yc Mitteldruckkompressors führt, wobei diese Umführungsleitung wahlweise den dem Mitieldruckkompressor vorangehenden Zwischenkühler durchsetzen kann. Schließlich ist es aus fabrikatorischen Gründen vorteilhaft, wenn weiterhin das Austrittsende des Hochdruckkompressors mittels einer Umführungsleitung über einen Endkühler und ein nachfolgendes Drosselorgan mit seinem Eintrittsende verbunden ist.
Einige Beispiele des Erfindungsgegenstandes sind auf der Zeichnung schematisch dargestellt.
F i g. 1 veranschaulicht ein erstes Beispiel mit einer zweistufigen Kompressorenanlage und
Fi g. 2 ein ähnliches Beispiel, jedoch mk einer etwas geänderten Schaltung des Zwischenkühlers,
F i g. 3 zeigt ein Beispiel mit einer dreistufigen Kompressorenanlage und
Fig.4 ein ähnliches Beispiel mit einer etwas geänderten Schaltung der Zwischenkühler.
Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Anlagen zur Speicherung von Energie dienen zum Ausgleich von rasch entstehenden und kurzzeitigen Belastungsschwankungen in einem in der Zeichnung nur schematisch angedeuteten elektrischen Versorgungsnetz 1. Solche Netze sind durch eine Leitung 2 mit einer elektrischen Maschine EM der Speicheranlage verbunden. Bei Energiespeicherung wirkt die elektrische Maschine als Motor und bei Abgabe gespeicherter Energie als Generator. Über eine Kupplung 3 ist diese elektrische Maschine EM mit einer Kompressorengruppe 4 im Stillstand lösbar verbunden. Sie dient zur ^o Verdichtung der durch die Ansaugleitung 5 aus der Atmosphäre angesaugten Luft, die in verdichteter?; Zustand über die Speicherzuleitung 6 \·\ einen Speicherraum .Sgeführt wird. Der Speicherrauni V kann z. B. durch eine natürliche oder eine künstlich hergestell- <v> te Kaverne im Boden oder im Gebirge gebildet sein. Bei kleineren Anlagen könnten auch Druckluftbehälter zur Verwendung kommen. Für die Speicherung kommt· Drücke von 30 bis 50 at und noch höher, z. B. bis 100 at, zur Anwendung. Die elektrische Maschine EM ist außerdem über eine Kupplung 7 mit einer Gasturbine GT kuppelbar. Bei Schaltung als Generator kann die elektrische Maschine EM Energie der gespeicherten Druckluft an das Versorgungsnetz 1 übertragen. Die Gasturbine GTerhält durch die Speicherableitung 8 aus dem Speicherraum 5 Druckluft zugeführt, die zweckmäßig zunächst in einer Brennkammer 9 zur Erzeugung hoch erhitzter Gase dient, um die dem Versorgungsnetz über die Gasturbine zuführbare Energie zu erhöhen. Die Abgase der Turbine gelangen über die Abgasleitung 10 ins Freie. Der Speicherraum .Swird vorteilhaft über eine Verbindungsleitung U (Fig. 1 und 2) mit einem höher liegenden natürlichen oder künstlichen Gewässer 12 verbunden. So wird es möglich, den Speicherdruck bis zur vollständigen Entladung praktisch konstant zu halten; denn der Speicherdruck emspricbt dem Höhenunterschied zwischen der Wasserfläche O bis (/ des Gewässers 12 und des Speicherraumes S.
Die Kompressorengruppen 4 der Speicheranlagen (F i g. 1 und 2) besitzen einen Niederdruckkompressor ND und einen Hochdruckkompressor HD. Der Niederdruckkompressor ist mit einstellbaren Leitschaufeln 13 ausgerüstet, deren Verstellmechanismus mit 13a bezeichnet ist; die verstellbaren Leitschaufeln tragen zusätzlich zur geeigneten Einstellung der Förderleistung bzw. der von der Kompressorengruppe aufgenommenen Antriebsleistung bei. Zur Kühlung der /.um Hochdruckkompressor HD strömenden Luft dient der Zwischenkühler 14.
Bei einer Kompressorengruppe 4 (Fig. 3 und 4) mit drei Stufenkompressoren ND, MD und HD ist zwischen dem Niederdruckkompressor /VDund dem Mitteldruckkompressor MD und ferner zwischen dem Mitteldruckkompressor MDunddem Hochdruckkompressor HD je ein Zwischenkühler 24 bzw. 25 angeordnet und über Betriebsleitungen 43 und 36 bzw. 46 und 42 mit den Kompressoren der Druckstufen verbunden.
Eine Förderleitung 20 der Kompressorengruppe 4 ist über ein Rückschlagorgan 21 an die Speicheriuleitung 6 für den Speicherraum 5angeschlossen. Das Rückschhgorgan 21 ist beim Anfahren sowie im Leerlauf geschlossen und öffnet erst, wenn in der Förderleitung 20 der Druck des Speichers Süberschritten wird, so daß die Aufladung des Speichers beginnen kann.
In allen Beispielen sind die Förderseiten des Niederdruckkompressors ND (F i g. 1 bis 4) mit dem Zwischenkühler 14 bzw. 24 über eine Betriebsleitung 16 bzw. 43 und dieser über eine Rückführleitung 18 bzw. 32 mit der Eintrittsseite des Niederdruckkompressors ND verbunden; in den Rückführleitungen 18 bzw. 32 sind Drosselorgane 19 bzw. 28 eingebaut. Ferner sind bei den Anlagen nach Fig. 1, 3 und * die Austrittsseite des Hochdruckkompressors über eine aus der Förderleitung 20 abzweigende Rückführleitung 22 bzw. 31 und eir Drosselorgan 23 (Fig. i) bzw. 30 (Fig. 3 und 4' •benfalls mit dem Zwischenkühler 14 bzw. 25 verbun den; dieser ist seinerseits über eine Betriebsleitung 42 ai die Eintrittsseite des Hochdruckkompri.-.-.sors ///. angeschlossen.
Bei der Anlage nach F i g. 2 durchset/.t das über di Rückführleitung 22 aus Jem Hochdruckkompressor .'// rückzuführende Fördermedium vor seinem Wiedereir tritt in den 1 iochdruckkompressor statt des /wischer kühlers 14 bzw. 25 einen Endkühler 45. der während de Normalbetricbs die Aufgabe hat, das von de Kompressoren geförderte, zu speichernde Medium ve
seiner Speicherung, falls erforderlich, abzukühlen.
Schließlich läßt sich mittels weiterer Umführungsleitungen 35 (Fig. 3 und 4) die Austrittsseite der Mitleidruckkompressoren MD mit ihrer Eintrittsscite über einen der beiden Zwischenkühler 24 bzw. 25 verbinden.
Erfindungsgemäß ist in der den Niederdruekkompressor ND mit dem darauf folgenden Zwischenkühler 14 bzw. 24 verbindenden Betriebsleitung 16 bzw. 43 ein Drosselorgan 17 bzw. 26 vorgesehen; bei den Anlagen mit dreiteiliger Kompressorengruppe hat die Betriebsleitung 46 zwischen dem Austritt des Mitteldruckkompressors MD und dem Zwischenkühler 25 ein entsprechendes Drosselorgan 27.
Die Ansaugleitung des Niederdruckkompressors ND hat zusätzlich ein Absperrorgan 15, das im geschlossenen Zustand eine Zufuhr frischer Luft aus der Atmosphäre oder ein rückwärtiges Austreten von Luft aus der Kompressorengruppe ins Freie verhindert.
Beim Anfahren und während des Leerlaufbetriebs der Kompressorengruppe 4 wird durch den Niederdruckkompressor ND und die zugehörigen Betriebs- bzw. Rückführleitungen 16 und 18 (F i g. 1 und 2) bzw. 43 und 32 (Fig. 3 und 4), durch die die Austritts- und die Eintrittsseite des Niederdruckkompressors ND miteinander verbunden sind, ein durch den Zwischenkühler 14 (F i g. 1 und 2) bzw. 24 (F i g. 3 und 4) gekühlter Kreislauf aufrechterhalten; dieser Kreislauf ist notwendig, um bei minimaler Ansaugleistung des Niederdruckkompressors /VD eine Kühlung zu gewährleisten. Die Drosselorgane 17 und 26 übernehmen dabei die eingangs beschriebene Funktion der Entspannung der vom Niederdruckkompressor ND während der genannten Betriebszeiten geforderten Luft.
Während des Übergangs vom Normal-, d. h. dem Ladebetrieb der Anlage, zum Leerlaufbetrieb und umgekehrt regeln die Drosseiorgane 17 bzw. 26 und 19 bzw. 28 die vom Niederdruckkompressor NDgeförderten Mengen und die dabei erreichten Drücke und sichern so einen reibungslosen Übergang von der einen auf die andere Betriebsart. Schließlich dienen die Drosselorgane 19 bzw. 28 dem Absperren der Rückführleitung 18 bzw. 32 während des Normalbetriebes.
Am Austritt des Mittcldruckkompressors MD erfüllt das Drosselorgan 27 in der Betriebsleitung 46 die gleiche Aufgabe wie das Drosselorgan 17 bzw. 26 in der Betriebsleitung 16 bzw. 43. Zusätzlich können durch die Mitteldruekkompressorcn MD mit Hilfe der Betriebsbzw. Umführungsleitungen 46,35,36 (F i g. 3 und 4) und so der Drosselorgane 27 und 29 in der gleichen Weise geregelte und durch die Zwischenkühler 25 oder 24 (Fig. 3 und 4) gekühlte Kreisläufe zur weiteren Verminderung der Anfahr- und Leerlaufleistung und zur Regelung des Übergangs von einer Betriebsart auf die $$ andere aufrechterhalten werden.
Die Rückführleitungen 22 bzw. 31 mit den Drosselorganen 23 bzw. 30 ergeben mit der Förder- bzw. Betriebsleitung 20 und 42 und den Zwischenkühlern 14 und 25 bzw. dem F.ndkühlcr 45 Kühlkreisläufe für die (κι llochdruckkompressoren /·//); durch diese 'Ki eislaufe wird a'.ich für diese Teilkompressoren ein Minimum in der Anfahr- und in der Leerlaufleistung und eine Regelung beim Übergang von einer Betriebsart auf die andere erreicht. ('Ί
Sind im Leerlauf und während des Anfuhrens die Drosselorgane 19 bzw. 28 oder 29 in den Umführung- bzw. Küekführleitungen 18 b/.w. 32 oder 35 völlig geöffnet, so daß der Strömungswiderstand in diesen Leitungen nahezu vernachlässigt werden kann, so gelingt es auf diese Weise, auch bei den Mitteldruckkompressorcn während des Anfahrens und des Leerlaufs praktisch den Ansaugdruek zu erzwingen, der am Eintritt des Niederdruckkompressors /VDgegeben ist.
Die Leerlaufleistung wird größtenteils durch Kompression, durch Turbulenz an den Drosselstellen und Reibung in Wärme umgesetzt, welche durch die Zwischenkühler abgeführt wird. Die Kompressorengruppe kann so ohne beachtliche Verluste ständig mit voller Drehzahl in Betrieb gehalten werden, so daß bei einsetzendem Mangel an Leistung im elektrischen Netz die Speicheranlage in kürzester Zeit zur Energieerzeugung bereit ist.
Durch zusätzliches Schließen des Absperrorgans 15 kann mindestens der Druck im Kreislauf durch den Niederdruckkompressor ND unter den Atmosphärendruck gesenkt werden. Der sich in dem Niederdruckkompressor ND einstellende Druckanstieg richtet sich in diesem Fall nach dem durch die Leckstellen der Stopfbüchsen-Labyrinthe angesaugten Luftvolumen. Vor allem am Eintritt in den Niederdruckkompressor NDwWd sich so ein beachtlicher Unterdruck einstellen. Bei diesem Unterdruck, der — wie bereits erwähnt — gegebenenfalls durch den Druckausgleich über die Rück- bzw. Umführungsleitungen 18, 35 zumindest weitgehend auch vor den nachfolgenden Teilkompressoren MD bzw. HD, gehalten werden kann, wird die am Eintritt der Kompressorengruppe aufzubringende Leistung extrem weit abgesenkt und beträgt nur einen unbedeutenden Bruchteil der vollen Kompressoren-Ladeleistung, wobei die im Unterdruckgebict durch die Stopfbüchsen eingesaugte Luft wieder durch die Stopfbüchsen in den Stufen mit höherem als Atmosphü rendruck entweicht.
Zum Übergang aus dem Leerlaufbetrieb auf Speicherladung kann die Gasturbine GT mittels der Kupplung 7 von der elektrischen Maschine EM losgekuppelt werden und die Kompressorcngruppe durch öffnen der Drosselorgane 17, 25 und 27 und des Absperrorgans 15 und durch Schließen der Drosselor· gane 19, 23, 28, 29 und 30 in den Um· bzw Rüekführlcitungen 18, 22, 31, 32 und 35 auf Förderbetrieb gebracht werden. Dabei wird entsprechend dci sich steigernden Kompressorenleistung auch die au; dem Versorgungsnetz 1 der elektrischen Maschine Ek über die Leitung 2 zugeführte Energie ansteigen.
Nach vollständiger Ladung des Speichers kam wiederum — durch Verstellen der vorstehend genann ten Organe — zum Leerlaufbetrieb der Kompressoren anlage zurückgekehrt werden. Dabei wird die Kompres sorengiuppe durch die elektrische Maschine allein au Drehzahl gehalten. Die Gasturbine GT verbleibt in Stillstand.
Entsteht im Versorgungsnetz 1 ein Mangel ai Leistung, kann die Gasturbine GTin kürzester Zeit au Betriebsdrehzahl hochgefahren werden und bei Errei ehcri der Synchrondrehzahl durch die Kupplung 7 mi der elektrischen Maschine gekuppelt werden. Durc Steigerung der Gasturbinenleistung wird nun von de elektrischen Maschine dem Versorgungsnet/. Energi zugeführt. Wegen der geringen Lcerlaufleislung de Kompressorcngruppe braucht sie auch während dt Entlladebetricbs der Speicheranlage nicht von dl elektrischen Maschine gelöst zu werden, so daß sie f( die nach Abschluß des Entladebetriebs wieder notwei dige Ergänzung der Speicheranlage mit Synchrondrei
zahl schon bereit ist. Dabei wird ein Eintritt der Kompressoren einerseits ins Punipgebiet und andererseits in das Gebiet, in dem große Volumen oder Mengen ohne Druckerhöhung gefördert werden, weitgehend durch geeignete Abstimmung der Einstellung der Drosselorgane verhütet. Hierzu kann weiterhin eine geeignete Einstellung der Leitschaufeln im Nieder druckkompressor ND beitragen.
Die Kupplung 7 als ausrückbare Zahnkupplung zwischen der Gasturbine GT und der elektrischen Maschine kann mit magnetischer Synchronisierung versehen sein. Sie ermöglicht, die schon mit dem Netz laufende elektrische Maschine mit der laufenden Gasturbine im Betrieb zu kuppeln. Schwieriger ist es, die laufende elektrische Maschine mit der Kompressorengruppe zu kuppeln. Es empfiehlt sich daher, eine im Stillstand lösbare mechanische Kupplung als Kupplung 3 zu verwenden und diese nur in außergewöhnlichen !•"allen zu lösen; denn eine praktisch standige Verbindung /wischen der elektrischen Maschine und der Kompressorengruppe ist bei Ausschöpfimg aller durcr die Erfindung gegebenen und vorstehend beschriebenei Möglichkeiten zur Reduktion der Leerlaufleistung ohnt ins Gewicht fallende Wirkungsgradeinbuße für di< Gesamtanlage möglich.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Anlage zur Speicherung von Energie eines elektriüchen Versorgungsnetzes mittels Druckluft und zu deren Wiederverwendung bei Belastungsspitzen des Netzes, welche Anlage aus einer Kompressorengruppe mit mindestens zwei über Zwischenkühler hintereinander geschalteten, miteinander gekuppelten mehrstufigen Turbokompressoren sowie einer elektrischen Maschine besteht, die beim Laden eines Druckluftspeichers als Antriebsmotor der Kompressorengruppe und beim Entladen des Druckluftspeichers als Generator zur Speisung des elektrischen Versorgungsnetzes dient, und außerdem eine mit der elektrischen Maschine kuppelbare Gasturbine für den Generatorbetrieb bei Ausnützung der gespeicherten Druckluft aufweist, wobei mindestens der Niederdruckkompressor eine Rückführleitung besitzt, die nach einem Zwischenkühler aus der Betriebsleitung abzweigt und über ein Drosselorgan an die Kompressor-Eimrittsseite führt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in der Betriebsleitung (16, 42; 43, 36) vor dem auf den Niederdruckkompressor folgenden Zwischenkühler (14; 24) ein weiteres regelbares Drosselorgan (17; 26) eingebaut ist.
2. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ansaugleitung (5) zum Niederdruckkompressor (ND) ein Absperrorgan (15) eingebaut ist.
3. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Niederdruckkompressor (ND) mit einstellbaren Leitschaufel (13) ausgerüstet ist.
4. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Mitteldruckkompressor (MD) vor dem nachfolgenden Zwischenkühler (25) in der Betriebsleitung (46, 36) ebenfalls ein Drosselorgan (27) vorgesehen ist, nach dem eine Umführungsleitung (35) abzweigt und zum Eintriti.sende des Mitteldruckkompressors (MD)
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